Nghiên cứu bê tông gốm hệ alumô silicát sử dụng chất kết dính huyền phù gốm nồng độ cao từ nguyên liệu mulít và thạch anh điện chảy

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI

Nguyễn Thành Đồn

NGHIÊN CỨU BÊ TƠNG GỐM HỆ ALUMƠ-SILICÁT
SỬ DỤNG CHẤT KẾT DÍNH HUYỀN PHÙ GỐM NỒNG ĐỘ CAO
TỪ NGUYÊN LIỆU MULÍT VÀ THẠCH ANH ĐIỆN CHẢY

Chuyên ngành: KỸ THUẬT HÓA HỌC
Mã số: 62520301

LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT HÓA HỌC

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC:
1. PGS.TS ĐÀO XUÂN PHÁI
2. TS. TẠ NGỌC DŨNG

Hà Nội – 2015


LỜI CAM ĐOAN

Tôi xin cam đoan đây là đề tài nghiên cứu của riêng tôi. Các số liệu kết quả
nêu trong luận án là trung thực và chưa từng được cơng bố trong bất kỳ cơng trình
nghiên cứu nào khác.
Hà Nội, tháng 6 năm 2015
Tập thể hƣớng dẫn

PGS.TS Đào Xuân Phái

Nghiên cứu sinh

TS. Tạ Ngọc Dũng

i

Nguyễn Thành Đoàn


LỜI CẢM ƠN
Tôi xin chân thành cảm ơn Trường Đại học Bách khoa Hà Nội, Viện Đào tạo
sau đại học, Viện Kỹ thuật Hóa học và Bộ mơn Cơng nghệ Vật liệu silicat đã cho
phép em thực hiện luận án tại Trường Đại học Bách khoa Hà Nội. Xin cảm ơn Viện
Đào tạo sau đại học và Viện Kỹ thuật Hóa học về sự hỗ trợ và giúp đỡ trong suốt
q trình tơi thực hiện nội dung luận án.
Xin chân thành cảm ơn PGS.TS Đào Xuân Phái và TS Tạ Ngọc Dũng đã
hướng dẫn hết sức tận tình và chu đáo về mặt chuyên môn để em thực hiện và hồn
thành luận án.
Xin chân thành biết ơn Q thầy, cơ Bộ môn Công nghệ Vật liệu silicat –
Trường Đại học Bách khoa Hà Nội luôn giúp đỡ và tạo điều kiện một cách thuận lợi
nhất để hoàn thành luận án này.
Tôi xin chân thành cảm ơn Lãnh đạo Viện Nghiên cứu Sành sứ thủy tinh
Công nghiệp - Bộ Công thương đã tạo điều kiện giúp đỡ để tôi được sử dụng các
thiết bị phân tích thực hiện đề tài nghiên cứu, qua đó hồn thành luận án này.
Tơi xin cảm ơn Ban giám hiệu Trường Đại học Công nghiệp Việt Trì, Lãnh
đạo Khoa Cơng nghệ hóa học cùng các đồng nghiệp Bộ mơn Cơng nghệ Hóa silicat
đã giúp đỡ và động viên tơi trong suốt q trình học tập, nghiên cứu.
Xin bày tỏ biết ơn sâu sắc tới các thầy phản biện, các thầy trong hội đồng
chấm luận án đã đồng ý đọc duyệt và đóng góp ý kiến để em có thể hồn chỉnh luận
án này và định hướng nghiên cứu trong tương lai.

Cuối cùng xin gửi lời cảm ơn chân thành đến người thân, bạn bè - những
người đã ln động viên, khuyến khích tơi trong suốt thời gian nghiên cứu và thực
hiện cơng trình này.
Nghiên cứu sinh

Nguyễn Thành Đoàn

ii


MỤC LỤC
DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT ............................................. v
DANH MỤC CÁC BẢNG..................................................................................... viii
DANH MỤC CÁC HÌNH ẢNH, ĐỒ THỊ .............................................................. x
MỞ ĐẦU .................................................................................................................... 1
CHƢƠNG 1: TỔNG QUAN .................................................................................... 3
1.1. Tổng quan về bê tông chịu lửa......................................................................... 3
1.1.1. Khái niệm .................................................................................................. 3
1.1.2. Phân loại bê tông chịu lửa ......................................................................... 3
1.1.3. Bê tông chịu lửa thông thường .................................................................. 4
1.1.4. Bê tơng chịu lửa ít xi măng (LCC) và siêu ít xi măng (ULCC) ................ 5
1.1.5. Bê tông chịu lửa khơng xi măng sử dụng chất kết dính ρ-Al2O3 .............. 6
1.1.6. Bê tông gốm .............................................................................................. 7
1.2. Các xu hướng nghiên cứu, phát triển bê tông chịu lửa hiện tại và trong tương
lai ............................................................................................................................ 9
1.2.1. Bê tơng chịu lửa ít xi măng tính năng cao. ............................................... 9
1.2.2. Bê tơng chịu lửa chứa các bon .................................................................. 9
1.2.3. Bê tông chịu lửa công nghệ nano ............................................................ 11
1.2.4. Bê tơng gốm tính năng cao ..................................................................... 12
1.3. Cơ sở lý thuyết chế tạo HCBS và bê tông gốm .............................................. 13

1.3.1. Thành phần và cấu trúc bê tơng gốm ...................................................... 13
1.3.2. Chất kết dính huyền phù gốm nồng độ cao ............................................. 15
1.3.3. Tính tốn cấp phối và tạo hình bê tơng gốm ........................................... 33
1.3.4. Gia cường bán thành phẩm ..................................................................... 36
1.4. Các cơng trình nghiên cứu về HCBS và bê tông gốm đã công bố ................ 38
1.5. Những vấn đề cần tiếp tục được nghiên cứu làm rõ về bê tông gốm ............ 45
CHƢƠNG 2: PHƢƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU ................................................. 47
2.1. Các phương pháp tiêu chuẩn. ........................................................................ 47
2.2. Các phương pháp phi tiêu chuẩn ................................................................... 47
2.2.1. Phân tích thành phần hóa học của ngun liệu, vật liệu ......................... 47
2.2.2. Xác định độ bền uốn ở nhiệt độ thường của mẫu nghiên cứu ................ 48
2.2.3. Xác định tỷ trọng của HCBS................................................................... 48
2.2.4. Xác định độ nhớt của HCBS ................................................................... 49

iii


2.2.5. Xác định pH của HCBS .......................................................................... 49
2.2.6. Phân tích thành phần hạt HCBS bằng phương pháp tán xạ lazer ........... 50
2.2.7. Xác định vi cấu trúc của vật liệu bằng kính hiển vi điện tử quét (SEM )50
2.2.8. Đo độ chảy của bê tơng ........................................................................... 51
2.2.9. Phân tích mẫu bằng phổ hồng ngoại IR .................................................. 51
CHƢƠNG 3: KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN ........................................................ 53
3.1. Lựa chọn nguyên liệu và phụ gia ................................................................... 53
3.1.1. Nguyên liệu để chế tạo HCBS ................................................................. 53
3.1.2. Cốt liệu chịu lửa ...................................................................................... 54
3.1.3. Phụ gia .................................................................................................... 54
3.1.4. Phụ gia keo tán........................................................................................ 55
3.1.5. Vật liệu ngâm tẩm ................................................................................... 56
3.2. Nghiên cứu q trình đóng rắn và phát triển cường độ của HCBS từ thạch

anh điện chảy ........................................................................................................ 56
3.3. Nghiên cứu giải pháp công nghệ chế tạo HCBS ........................................... 61
3.3.1. Chế tạo HCBS gốc từ mullite – thạch anh điện chảy.............................. 61
3.3.2. So sánh tính chất của HCBS từ mullite-thạch anh điện chảy với đất sét 76
3.4. Nghiên cứu bê tông gốm dựa trên HCBS ...................................................... 82
3.4.1. Tính chất của HCBS từ mullite – thạch anh nóng chảy .......................... 82
3.4.2. Tính cấp phối bê tơng .............................................................................. 82
3.4.3. Độ chảy của bê tơng ............................................................................... 83
3.4.4. Tính chất cơ lý của bê tông sau sấy và sau nung .................................... 84
3.4.5. Nghiên cứu vi cấu trúc của bê tông gốm ................................................ 87
3.5. Nghiên cứu, so sánh các tính chất của bê tơng gốm với bê tơng chịu lửa ít xi
măng. ..................................................................................................................... 88
3.6. Tăng bền bán thành phẩm ............................................................................. 92
KẾT LUẬN ........................................................................................................... 100
NHỮNG ĐIỂM MỚI CỦA LUẬN ÁN ............................................................... 101
TÀI LIỆU THAM KHẢO.................................................................................... 102
DANH MỤC CÁC CƠNG TRÌNH ĐÃ CƠNG BỐ CỦA LUẬN ÁN ............. 111
PHỤ LỤC .............................................................................................................. 113

iv


DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT
1. Chữ viết tắt
A

Al2O3

BTCL

Bê tông chịu lửa

C

CaO

CMOR

Độ bền uốn ở nhiệt độ thường (Cold Modulus of Rupture)

CAC

Xi măng cao nhôm (Calcium Aluminate Cement)

CCS

Độ bền nén nguội (Cold Crushing Strength)

F

Fe2O3

FG

Graphit vảy (Flake Graphite)

FV

Độ chảy khi rung bê tơng (Flow Value)

H

H2 O

HCBS

Kết dính huyền phù gốm nồng độ cao (Highly Concentrated
Ceramic Binder Suspensions)

HMOR

Độ bền uốn ở nhiệt độ cao (Hot Modulus of Rupture)

IP

Thế ion (Ionic Potential)

IR

Phổ hồng ngoại (Infrared Spectroscopy)

KLTT

Khối lượng thể tích

LCC

Bê tơng chịu lửa ít xi măng (Low Cement Castables)

MS

Silica fume hoặc microsilica

PCE

Poly Carboxylate Ethers

RC

Bê tông chịu lửa thông thường (Regular Castables)

RKB

Bô xít nung bằng lị quay (Round Kiln Bauxite)

RUL

Nhiệt độ biến dạng dưới tải trọng (Refractories Under Load)

S

SiO2

SHMP

Sodium Hexa metaphosphate

STPP

Sodium Tripolyphosphate

SEM

Kính hiển vi điện tử quét (Scanning Electron Microscope)
v


UNITECR

Hội nghị quốc tế về vật liệu chịu lửa

ULCC

Bê tông chịu lửa siêu ít xi măng (Ultra Low Cement
Castables)

XRD

Nhiễu xạ tia X (X-Ray Diffraction)

XRF

Huỳnh quang tia X (X-Ray Fluorescence)

2. Ký hiệu
Cv

Hệ số nồng độ thể tích pha rắn trong hệ phân tán

Cvcr

Hệ số nồng độ thể tích pha rắn tới hạn trong hệ phân tán

Cw

Hệ số nồng độ thể tích pha lỏng trong hệ phân tán

Cwk

Nồng độ thể tích của mơi trường phân tán động

Cws

Nồng độ thể tích của mơi trường liên kết động

Cwf

Nồng độ thể tích của mơi trường liên kết lý - hóa

Cwm

Nồng độ thể tích của mơi trường liên kết cơ học

d

Tỷ trọng của nước thủy tinh

σu

Độ bền uốn



Tốc độ cắt

Lc

Độ co dài sau khi sấy

Lcv

Độ co thể tích sau khi sấy

η

Độ nhớt

min

Độ nhớt nhỏ nhất của HCBS

ηω

Độ nhớt của HCBS tại tốc độ khuấy trộn ω

ρd

Tỷ trọng của HCBS

ρs

Khối lượng riêng của pha rắn trong HCBS

w

Tỷ trọng của môi trường phân tán

ρrel

Độ đặc tương đối của vật liệu sau khi sấy khô

ρcast

Độ rỗng của vật liệu sau khi sấy khô

vi


ρ-Al2O3

Rho - alumina

P

Ứng suất trượt

Pcast

Độ xốp

τ

Thời gian nghiền HCBS

τn

Thời gian khuấy trộn

Tbđ

Nhiệt độ bắt đầu biến dạng dưới tải trọng

T4

Nhiệt độ biến dạng dưới tải trọng 4%

ω

Tốc độ quay khi ổn định HCBS bằng khuấy trộn

Vd

Thể tích pha rắn trong HCBS

Vw

Thể tích pha lỏng trong HCBS

w

Độ ẩm tương đối

Xbk

Độ xốp biểu kiến

vii


DANH MỤC CÁC BẢNG
Bảng 1.1: Phân loại các nhóm HCBS ..................................................................... 18
Bảng 1.2: Nguyên liệu, phương pháp sản xuất và tính chất của HCBS dựa trên vật
liệu silic..................................................................................................................... 21
Bảng 1.3: Nguyên liệu, phương pháp sản xuất và tính chất của HCBS dựa trên vật
liệu hệ aluminosilicate .............................................................................................. 22
Bảng 1.4: Sự thay đổi của các thơng số HCBS trong q trình nghiền ướt ............ 24
Bảng 1.5: Đặc tính của các vật liệu gốm không nung và bê tông gốm ................... 38
Bảng 1.6: Tóm lược các giai đoạn nghiên cứu và phát triển HCBS và bê tông gốm
.................................................................................................................................. 41
Bảng 2.1: Tiêu chuẩn cần xác định và phương pháp thử ......................................... 47
Bảng 3.1: Thành phần và tính chất của thạch anh điện chảy ................................... 53
Bảng 3.2: Thành phần và tính chất của mullite tổng hợp ........................................ 54
Bảng 3.3: Thành phần và tính chất của microsilica ................................................. 55
Bảng 3.4: Loại và nguồn gốc phụ gia keo tán ......................................................... 55
Bảng 3.5: Tính chất của thủy tinh lỏng .................................................................... 56
Bảng 3.6: Tính chất và thành phần hạt của huyền phù thạch anh điện chảy ........... 57
Bảng 3.7: Phối liệu chế tạo HCBS mullite - thạch anh điện chảy ........................... 62
Bảng 3.8: Tính chất huyền phù sau 28 h nghiền với các phụ gia khác nhau .......... 63
Bảng 3.9: Tính chất của HCBS mullite – thạch anh điện chảy sau 28 h nghiền ... 65
Bảng 3.10: Thành phần hạt ứng với phối liệu M90Q10 sau 12h nghiền ................. 66

Bảng 3.11: Thành phần hạt ứng với phối liệu M90Q10 sau 18h nghiền ................. 67
Bảng 3.12: Thành phần hạt ứng với phối liệu M90Q10 sau 28h nghiền ................. 68
Bảng 3.13: Ảnh hưởng của phụ gia PCE đến độ nhớt và pH của HCBS ................ 70
Bảng 3.14: Ảnh hưởng của phụ gia SHMP đến độ nhớt và pH của HCBS ............ 71
Bảng 3.15: Tính chất của HCBS mullite – thạch anh điện chảy của phối liệu
M90Q10 .................................................................................................................... 76
Bảng 3.16: Thành phần hạt của đất sét Trúc Thôn .................................................. 77
Bảng 3.17: Yêu cầu và các kết quả đạt được khi nghiên cứu chế tạo HCBS .......... 81
Bảng 3.18: Thành phần của bê tông nghiên cứu sử dụng cốt liệu mullite .............. 82
Bảng 3.19: Độ bền nén nguội của bê tông cốt liệu mullite...................................... 84
Bảng 3.20: Độ xốp biểu kiến, khối lượng thể tích và độ co của mẫu 32 % HCBS
theo nhiệt độ nung .................................................................................................... 86
Bảng 3.21: Thành phần hóa học của bê tơng gốm và bê tơng ít xi măng ................ 89

viii


Bảng 3.22: Độ bền nén nguội (CCS) của bê tông gốm và bê tơng chịu lửa ít xi
măng ......................................................................................................................... 89
Bảng 3.23: Kết quả thử tính chất cơ nhiệt ở nhiệt độ cao ....................................... 91
Bảng 3.24: Độ bền uốn theo thời gian ngâm tẩm mẫu MNT tại các mật độ thủy tinh
lỏng khác nhau .......................................................................................................... 93
Bảng 3.25: Độ bền nén theo thời gian ngâm tẩm mẫu MNT tại các mật độ thủy tinh
lỏng khác nhau .......................................................................................................... 93
Bảng 3.26: Độ xốp của mẫu nghiên cứu .................................................................. 97
Bảng 3.27: Độ tăng khối lượng Δm của mẫu theo thời gian tại các mật độ ............ 98
Bảng 3.28: Độ co của mẫu MNT sử dụng dung dịch thủy tinh lỏng có mật độ d=1,06
g/cm3 sau sấy và sau nung ........................................................................................ 99
Bảng 3.29: Độ bền cơ học của bê tông gốm MNT sau khi gia cường ...................... 99

ix


DANH MỤC CÁC HÌNH ẢNH, ĐỒ THỊ
Hình 1.1: Các nhóm cấu trúc của bê tơng gốm........................................................ 13
Hình 1.2: Sơ đồ hình thành vùng tiếp xúc trong bê tơng gốm với cốt liệu xốp ...... 14
Hình 1.3: Mối liên hệ giữa độ ẩm w; tỷ trọng của huyền phù ρd với hệ số Cv ........ 16
Hình 1.4: Mơ hình trạng thái và các chỉ số cơ bản của HCBS trong trạng thái chảy
sệt, nồng độ tới hạn, và trạng thái mộc sau sấy khơ ................................................ 16
Hình 1.5: Các miền chỉ số theo thể tích của HCBS (Cv, Cvcr, nv, Cwk) đối với các
vật liệu; ..................................................................................................................... 17
Hình 1.6: Mối liên hệ giữa thời gian nghiền với hệ số nồng độ thể tích pha rắn Cv
và độ nhớt η của HCBS ............................................................................................ 23
Hình 1.7: Quy luật biến đổi của các chỉ số nạp khối lượng của máy nghiền; lượng
sót sàng trên 63 µm; Độ xốp và độ bền uốn khi thu HCBS bằng phương pháp nạp
liệu bán liên tục ........................................................................................................ 26
Hình 1.8: Sự phụ thuộc của ηω vào thời gian khuấy trộn cơ học τn của HCBS thủy
tinh thạch anh ........................................................................................................... 27
Hình 1.9: Sự ảnh hưởng của thời gian khuấy trộn τn tới độ nhớt tối thiểu ηmin ...... 28
Hình 1.10: Sự phụ thuộc của các chỉ số pH, độ nhớt riêng của HCBS thủy tinh
thạch anh .................................................................................................................. 29
Hình 1.11: Thế năng tương tác của các hạt theo thuyết DLVO ............................. 30
Hình 1.12: Mơ hình trao đổi ion trên lớp điện kép ................................................. 31
Hình 1.13: Cơng thức và cấu trúc của phụ gia PCE ............................................... 32
Hình 1.14: Đường cong cấp phối hạt lý thuyết của Furnas theo kích thước hạt lớn
nhất ........................................................................................................................... 33
Hình 1.15: Mơ hình phân bố cỡ hạt theo cơng thức Adreasen và Adreasen sửa đổi
.................................................................................................................................. 34
Hình 1.16: Các mơ hình rung ép.............................................................................. 35
Hình 1.17: So sánh phương pháp tạo hình rung ép và ép tĩnh cho bê tông gốm thạch

anh. Mối liên hệ giữa độ xốp Pc và tải trọng p ......................................................... 36
Hình 1.18: Ảnh hưởng của tỷ trọng và nồng độ của dung dịch thủy tinh lỏng và sô
đa tới pH và độ bền uốn của gốm thạch anh không nung được gia cường bời các chế
độ khác nhau ............................................................................................................. 37
Hình 3.1: Phân bố cỡ hạt của huyền phù thạch anh điện chảy sau 3h nghiền ......... 57
Hình 3.2: Phổ IR của huyền phù thạch anh điện chảy............................................. 59
Hình 3.3: Phổ IR của huyền phù thạch anh điện chảy sau khi sấy khô ở 110 oC.... 60
x


Hình 3.4: Phổ IR của huyền phù thạch anh điện chảy sau khi gia nhiệt ở 500 oC .. 61
Hình 3.5: Mối liên hệ giữa thời gian nghiền và hệ số nồng độ thể tích pha rắn Cv
ứng với phối liệu M90Q10 ....................................................................................... 64
Hình 3.6: Phân bố hạt ứng với phối liệu M90Q10 sau 12h nghiền ......................... 66
Hình 3.7: Phân bố hạt ứng với phối liệu M90Q10 sau 18h nghiền ......................... 67
Hình 3.8: Phân bố hạt ứng với phối liệu M90Q10 sau 28h nghiền ......................... 68
Hình 3.9: Đường cong lũy tiến kích thước hạt của HCBS mullite-thạch anh điện
chảy sau khi nghiền ở các thời gian khác nhau ........................................................ 69
Hình 3.10: Ảnh hưởng của hàm lượng phụ gia PCE và SHMP đến độ nhớt biểu
kiến và pH của HCBS ứng với phối liệu M90Q10 sau 28h nghiền ......................... 72
Hình 3.11: Minh họa cơ chế phân tán của phụ gia PCE ......................................... 73
Hình 3.12: Mơ hình cơ chế phân tán kép của phụ gia PCE ..................................... 73
Hình 3.13: Mơ hình phân tán của PCE đối với hệ chứa SiO2 .................................. 74
Hình 3.14: Ảnh SEM của HCBS sau nung ở 1200 oC ........................................... 75
Hình 3.15: Phổ XRD của HCBS sau nung ở 1200 oC ............................................ 75
Hình 3.16: Phân bố cỡ hạt của đất sét Trúc Thơn ................................................... 77
Hình 3.17: Cường độ uốn của HCBS và đất sét sau khi sấy, nung ở các nhiệt độ .. 78
Hình 3.18: Ảnh SEM của HCBS và đất sét sau khi sấy ở 110oC ............................ 79
Hình 3.19: Ảnh SEM của HCBS và đất sét sau khi nung ở 400oC/1h .................... 79
Hình 3.20: Ảnh SEM của HCBS và đất sét sau khi nung ở 600oC/1h .................... 80

Hình 3.21: Ảnh SEM của HCBS và đất sét sau khi nung ở 1000oC/1h .................. 80
Hình 3.22: Độ chảy của bê tơng với thành phần HCBS khác nhau ........................ 83
Hình 3.23: Độ bền nén của bê tông gốm cốt liệu mullite sau sấy và sau nung ....... 85
Hình 3.24: Ảnh hưởng của hàm lượng HCBS đến độ xốp và độ bền nén của sản
phẩm bê tông gốm sau nung ở 1000 oC .................................................................... 86
Hình 3.25: Độ xốp biểu kiến, khối lượng thể tích của mẫu bê tơng với 32% HCBS
theo nhiệt độ nung .................................................................................................... 87
Hình 3.26: Độ co của mẫu bê tơng với 32% HCBS theo nhiệt độ nung ................. 87
Hình 3.27: Ảnh SEM của mẫu bê tông gốm với 32 % HCBS sau sấy ở 110 oC và
sau nung ở 1200 oC ................................................................................................... 88
Hình 3.28: Độ bền nén nguội ở các nhiệt độ khác nhau của bê tông gốm và bê
tơngchịu lửa ít xi măng ............................................................................................ 90
Hình 3.29: Ảnh SEM của bê tơng chịu lửa ít xi măng và bê tông gốm sau nung ở
1000 oC ..................................................................................................................... 91

xi


Hình 3.30: Độ bền uốn theo thời gian tẩm mẫu tại các mật độ thủy tinh lỏng khác
nhau .......................................................................................................................... 94
Hình 3.31: Độ bền nén theo thời gian tẩm mẫu tại các mật độ thủy tinh lỏng khác
nhau .......................................................................................................................... 94
Hình 3.32: Ảnh kính hiển vi điện tử của mẫu nghiên cứu....................................... 96
Hình 3.33: Độ xốp của mẫu nghiên cứu .................................................................. 97

xii


MỞ ĐẦU
Trong họ vật liệu chịu lửa khơng định hình, bê tơng chịu lửa là một nhóm

lớn, nó phát triển và tăng trưởng đáng kể trong suốt hơn 40 năm qua. Ban đầu từ
những hỗn hợp được pha trộn đơn giản, bê tông chịu lửa ngày nay là hỗn hợp được
pha trộn khá phức tạp và có nhiều tính năng kỹ thuật cao. Hiện nay bê tông chịu lửa
đã chiếm được nhiều thị phần và trong nhiều trường hợp, đã thay thế gạch chịu lửa
định hình [98]. Trong năm 2007, nhu cầu vật liệu chịu lửa trên thế giới đã đạt 38,1
triệu tấn, trị giá 22,9 tỷ đô la Mỹ, các con số tương ứng cho năm 2012 vào khoảng
45,2 triệu tấn, trị giá 28,5 tỷ đô la Mỹ, trong đó tỷ lệ vật liệu chịu lửa khơng định
hình dao động trong khoảng 43-45 %. Khu vực châu Á-Thái Bình Dương chiếm
khoảng 45 % tổng trọng lượng trong năm 2007, thị phần vào năm 2012 tăng lên đến
khoảng 69 % [13].
Các dữ liệu ở trên cho thấy vật liệu chịu lửa khơng định hình mà phần lớn là
bê tơng chịu lửa chiếm một tỷ trọng lớn sản phẩm vật liệu chịu lửa. Xu hướng
nghiên cứu, phát triển và sử dụng bê tông chịu lửa chất lượng cao luôn được các
nhà nghiên cứu và khách hàng quan tâm trong những năm tiếp theo.
Bê tông chịu lửa chất lượng cao ngày càng được cải thiện với các điểm nhấn
là thiết kế thành phần phối liệu tối ưu, có tuổi thọ khi sử dụng cao. Trong những
năm gần đây đã có hai xu hướng chính trong việc phát triển và ứng dụng bê tông
chịu lửa. Xu hướng thứ nhất là phát triển bê tơng chịu lửa ít xi măng (LCC) và bê
tơng chịu lửa siêu ít xi măng (ULCC) tính năng cao. Xu hướng thứ hai là phát triển
công nghệ bê tông gốm, một cơng nghệ cịn mới tại Việt Nam. Từ các nhận định
trên, đề tài luận án được lựa chọn là: "Nghiên cứu bê tông gốm hệ alumô-silicát sử
dụng chất kết dính huyền phù gốm nồng độ cao từ nguyên liệu mulít và thạch anh
điện chảy".
Nhiệm vụ của luận án:
-

Lựa chọn nguyên liệu và đưa ra giải pháp công nghệ chế tạo chất kết dính
huyền phù gốm nồng độ cao (HCBS)

-

Tính tốn cấp phối và chế tạo bê tơng gốm đạt các chỉ tiêu:
+ Cường độ nén ở nhiệt độ thường sau khi bảo dưỡng ≥ 30 MPa
1


+ Độ co sau khi nung ở 1300 oC ≤ 1 %
+ Độ bền nén nguội sau khi nung ở 1300 oC ≥ 80 MPa
Những vấn đề luận án cần tập trung giải quyết
 Xác định cơ chế đóng rắn tạo cường độ của chất kết dính huyền phù nồng độ
cao từ nguyên liệu đầu là thạch anh điện chảy.
 Nghiên cứu giải pháp công nghệ chế tạo chất kết dính HCBS đi từ nguyên
liệu đầu là mullite kết hợp thạch anh điện chảy bằng máy nghiền bi ướt gián
đoạn dung tích 150-200 lít ở quy mơ bán cơng nghiệp, đạt được các chỉ số
huyền phù có nồng độ pha rắn cao, độ ẩm thấp, độ nhớt thấp, HCBS có độ
linh động cao để xả ra khỏi máy nghiền dễ dàng.
 Nghiên cứu cơ chế ổn định HCBS bằng phụ gia keo tán polycarboxylate
ethers (PCE).
 Nghiên cứu giải pháp công nghệ tạo hình bê tơng gốm với các block đúc sẵn
bằng phương pháp rung với phối liệu bê tông ở dạng chảy, linh động.
 Nghiên cứu, kiểm chứng các tính chất cơ nhiệt của bê tông gốm sử dụng cốt
liệu chịu lửa mullite trên nền chất kết dính HCBS đã ổn định ở nhiệt độ
thường và nhiệt độ cao, kiểm chứng phương pháp tăng cường độ của bê tông
gốm ở nhiệt độ thường trong dung dịch thủy tinh lỏng có mật độ thấp.

2


CHƢƠNG 1: TỔNG QUAN
1.1. Tổng quan về bê tông chịu lửa

1.1.1. Khái niệm
Bê tông chịu lửa (BTCL) là hỗn hợp được trộn kết hợp của các hạt cốt liệu
chịu lửa, chất liên kết và các phụ gia. Khi sử dụng, BTCL được trộn với chất lỏng
(nước hoặc keo) và hỗn hợp này được đầm rung, ép rung, bơm phun hoặc tự chảy
vào vị trí thi cơng để tạo thành vật liệu chịu lửa có hình dạng và cấu trúc, sau đó
hỗn hợp trở nên cứng do đóng rắn thủy lực hoặc đóng rắn hóa học [98].
1.1.2. Phân loại bê tơng chịu lửa
Vật liệu chịu lửa khơng định hình bao gồm: Bê tơng chịu lửa, hỗn hợp đầm,
hỗn hợp vá lị cơng nghiệp,... BTCL là một nhóm lớn trong họ vật liệu chịu lửa
khơng định hình, trong đó bê tơng chịu lửa alumino-silicate là phổ biến nhất, chúng
được phân loại bằng nhiều cách khác nhau, theo tài liệu [98], bê tông chịu lửa
alumino-silicate được phân loại như sau:
a. Theo thành phần hóa học (hoặc thành phần khống): Dựa vào hàm lượng Al2O3
trong BTCL (ví dụ: mullite có Al2O3 = 62-76 %, mullite-corundum có Al2O3 = 7690 %, corundum có Al2O3 > 90 %,…).
b. Theo tỷ trọng: Chia làm 3 loại
 Loại nặng: tỷ trọng > 1,92 g/cm3
 Loại trung bình: 1,6 ≤ tỷ trọng ≤ 1,92 g/cm3
 Loại nhẹ: tỷ trọng < 1,6 g/cm3
c. Theo hàm lượng xi măng (thông qua hàm lượng % CaO): Chia làm 4 loại
 BTCL truyền thống (CaO > 2,5 %)
 BTCL ít xi măng (1,0 % < CaO ≤ 2,5 %)
 BTCL siêu ít xi măng (0,2 % < CaO ≤ 1,0 %)
 BTCL không xi măng (CaO ≤ 0,2 %)
d. Theo phương pháp thi công: Chia làm 3 loại

3


 Đầm rung
 Tự chảy

 Bơm phun
Dựa theo chất liên kết, BTCL được chia thành các loại khác nhau [9, 31, 98]
đó là:
 Liên kết thủy lực (Tác nhân liên kết là xi măng cao alumin,…): Đây là liên
kết phổ biến nhất của BTCL, nó đóng rắn và phát triển cường độ ở nhiệt độ
thường.
 Liên kết gốm ( Huyền phù gốm nồng độ cao HCBS, keo silica,…): Với quá
trình đóng rắn khi gia tăng nhiệt độ.
 Liên kết hóa học (keo hữu cơ, phốt phát,…): Đóng rắn bằng phản ứng hóa
học ở nhiệt độ thường (nhưng khơng phải là liên kết thủy lực) hoặc ở nhiệt
độ thấp hơn nhiệt độ kết khối.
Cần chú ý rằng các liên kết trong bê tông chịu lửa là liên kết phức hợp [31], đó
là: thủy lực + gốm, hóa học + gốm, thủy lực + hóa học + gốm,…Ví dụ bê tơng chịu
lửa ít xi măng là liên kết phức hợp, ngoài xi măng cao alumin (liên kết thủy lực),
các thành phần hoạt tính tăng độ bền cơ học của bê tơng ở nhiệt độ 800-1100 oC
(liên kết gốm) cịn có các phụ gia phân tán gốc hữu cơ-vơ cơ (liên kết hóa học).
1.1.3. Bê tơng chịu lửa thơng thƣờng
Là bê tơng có chứa xi măng chịu nhiệt, trong đó hàm lượng xi măng trong bê
tông từ 15-30%, loại bê tông này không chứa phụ gia phân tán [98].
Đặc điểm của loại bê tông này là suy giảm cường độ ở khoảng 800-1000 oC
[98], nguyên nhân là do sự mất nước của C-A-H trong cấu trúc bê tông làm tăng
hàm lượng của lỗ xốp. Ở nhiệt độ trên 1000 oC cường độ tăng do sự tương tác của
canxi aluminat xi măng (CAC) với các thành phần cốt liệu tạo nên các khoáng mới.
Do hàm lượng CaO trong bê tơng này cao nên hình thành các khống có độ chịu lửa
thấp, làm giảm chất lượng BTCL. Ngoài ra lượng nước trộn của loại bê tông này
khá cao, điều này làm ảnh hưởng một loạt tới các tính chất của bê tơng như thời
gian đóng rắn kéo dài, cường độ thấp, độ xốp cao, độ co lớn,…
4

1.1.4. Bê tơng chịu lửa ít xi măng (LCC) và siêu ít xi măng (ULCC)
Loại bê tơng này được giảm hàm lượng xi măng cao alumin xuống còn từ 210 %, thay vào đó sự có mặt thành phần siêu mịn trong bê tơng như silicafume, ơ
xít nhơm hoạt tính [98], tổng 2 thành phần này trong BTCL dao động từ 10-20 %.
Trong thành phần của bê tơng có chứa một hàm lượng nhỏ phụ gia phân tán
[98] (hàm lượng < 1 %) để làm giảm lượng nước trộn và tăng tính chảy của bê tơng,
tùy theo chủng loại xi măng sử dụng đóng rắn nhanh hay chậm mà nó cịn được
thêm phụ gia chậm đơng hoặc phụ gia đóng rắn nhanh bê tơng.
Sự có mặt của thành phần siêu mịn làm cho bê tông tăng cường độ ở khoảng
800-1000 oC, tuy nhiên sự có mặt của silicafume chỉ làm cho bê tông phát triển
cường độ ở nhiệt độ < 1400 oC, ở nhiệt độ cao hơn bê tông mất dần cường độ [98].
Do trong thành phần bê tông LCC và ULCC có xi măng cao alumin nên nó
đóng rắn thủy lực, các khống chính trong xi măng cao alumin là CA và CA2, cơ
chế đóng rắn ở nhiệt độ thường diễn ra như sau [98]:
Ở nhiệt độ < 24 oC:

(CA, CA2) + H2O → CAH10 + AHX (x < 3)

Từ 24-35 oC:

(CA, CA2) + H2O → C2AH8 + AHX + AH3

Khi nhiệt độ > 35 oC: (CA, CA2) + H2O → C3AH6 + AH3
Tuy nhiên việc biến đổi ở trên để trở thành dạng khống ngậm nước ổn định
thì có một số pha bị thay đổi thể tích dẫn đến suy yếu hoặc phá vỡ cấu trúc, khi gia
nhiệt lần đầu các sản phẩm thủy hóa sẽ trải qua q trình đề hydrat hóa trong
khoảng nhiệt độ 210-370 oC [98], trong đó AH3 tách nước ở 230 oC và C3AH6 ở 315
o

C, nếu gia nhiệt quá nhanh sẽ làm nổ bê tơng, để chống nổ bê tơng thì các phụ gia

sợi polypropylene, polyester được sử dụng, các sợi này có chiều dài từ 3-10 mm và
đường kính từ 15-40 µm, khi cháy nó để lại các mao dẫn để nước thốt ra ngồi.
Bê tơng chịu lửa LCC và ULCC chỉ ra các ưu điểm là tính năng thi cơng dễ
dàng, tuy nhiên điểm hạn chế của nó là giảm các tính chất cơ nhiệt ở nhiệt độ cao
[31].

5


1.1.5. Bê tông chịu lửa không xi măng sử dụng chất kết dính ρ-Al2O3
Xi măng cao alumin là chất liên kết được dùng phổ biến nhất trong sản xuất
bê tông chịu lửa [98], tuy nhiên xi măng cao alumin chứa thành phần CaO có xu
hướng tạo thành các hợp chất có nhiệt độ nóng chảy thấp trong BTCL có chứa SiO2
như gehlenite (C2AS) nhiệt độ nóng chảy 1590 oC, anorthite (CAS2) nhiệt độ nóng
chảy 1550 oC [100], những pha này sẽ làm giảm độ chịu lửa, giảm độ bền hóa học
cũng như giảm tuổi thọ của vật liệu chịu lửa, vì vậy phải giảm lượng CaO có trong
thành phần của bê tông chịu lửa. Trong những năm gần đây một loại chất liên kết
dùng cho bê tông chịu lửa không chứa xi măng được nghiên cứu và sử dụng khá
phổ biến đó là ρ-Al2O3 (rho-alumina), ρ-Al2O3 là dạng hình thái đạt được khi gia
nhiệt cực nhanh gibbsite - Al(OH)3 trong khoảng nhiệt độ 600-900 oC, cơ chế thủy
hóa của nó như sau [32,98]:
ρ-Al2O3 + H2O → Al2O3.(1-2)H2O (gel)
Q trình đóng rắn trên là đóng rắn thủy lực, tuy nhiên việc tạo gel rất chậm
và cường độ ban đầu rất thấp [98]. Dạng thương phẩm của chất kết dính ρ-Al2O3
được tập đồn Alcoa chế tạo có tên là Alphabond (series 100, 200, 300, 500) đã
được biến tính [100].
Bê tơng chịu lửa dựa trên Alphabond khi thủy hóa ở nhiệt độ < 18 oC thì q
trình đóng rắn rất khó khăn, điều đó được chứng minh bằng thực nghiệm bởi vì nếu
trộn bê tông ở nhiệt độ thấp liên kết thủy lực khơng đủ mạnh để các tinh thể phát
triển, vì vậy việc trộn bê tông với nước ấm là cần thiết, ngược lại nếu thủy hóa ở

nhiệt độ > 38 oC cũng nên tránh bởi vì bê tơng đóng rắn nhanh và không đủ thời
gian thi công [100].
Cường độ của bê tơng phát triển nhanh khi nó được gia nhiệt ở nhiệt độ 6693 oC, khi gia nhiệt từ 93-276 oC thì địi hỏi phải rất cẩn thận vì có thể gây ra hiện
tượng nứt, vỡ bê tơng, nước thốt ra mạnh nhất ở 150 oC, vì vậy phải bổ sung các
phụ gia sợi có nhiệt độ cháy nhỏ hơn 150 oC để q trình thấm khí được dễ dàng và
tránh nổ. Theo tài liệu [100] thì sợi polypropylene là sợi phù hợp và nhiệt độ cháy
của nó là 127 ºC.

6


Một lợi thế rất quan trọng của bê tông chịu lửa dựa trên liên kết ρ-Al2O3 so
với bê tông chịu lửa ít xi măng là tăng nhiệt độ biến dạng dưới tải trọng, ví dụ bê
tơng chịu lửa cùng cốt liệu 62-64 % Al2O3 với liên kết ρ-Al2O3 và liên kết xi măng
cao alumin (chứa 2,7 % CaO) cho nhiệt độ biến dạng dưới tải trọng tương ứng là
1550 và 1175 oC [32].
Ở các nhiệt độ khác nhau 1000, 1200, 1371, 1500 oC có pha tinh thể duy nhất
tồn tại đó là α-Al2O3 [100], các tinh thể này tạo ra cường độ cơ học bền sốc nhiệt,
bền xỉ cho vật liệu.
Bê tông chịu lửa sử dụng liên kết ρ-Al2O3 được sử dụng ở những vị trí có
nhiệt độ rất cao trong các lị luyện thép bởi vì nó có độ bền cơ học, bền sốc nhiệt,
bền xỉ rất cao, đó là các vị trí: Khối nắp lị hồ quang, gạch bệ thấu khí lị tinh luyện,
vách ngăn, ụ đỡ thùng trung gian,...
Như vậy có thể thấy rằng bê tơng chịu lửa dựa trên ρ-Al2O3 là trung gian
giữa bê tông chịu lửa ít xi măng và bê tơng gốm, nó có những nhược điểm của bê
tông liên kết thủy lực (nứt, nổ khi gia nhiệt lần đầu) và những ưu điểm của bê tông
gốm (nhiệt độ biến dạng dưới tải trọng cao).
1.1.6. Bê tông gốm
Bê tông chịu lửa LCC và ULCC được cấp bằng sáng chế độc quyền vào năm
1976 [98] bởi hãng Lafarge (Pháp), cũng trong năm 1976 các báo cáo về bê tơng

gốm của tác giả Yu.E.Pivinskii được trình bày tại hội nghị tồn Liên Bang Xơ Viết
về vật liệu chịu lửa [33]. Như vậy, đồng thời và độc lập, xuất hiện 2 khái niệm rất
khác nhau về các giải pháp cho cùng một vấn đề, đó là sản xuất bê tông chịu lửa
mới. Trong giai đoạn đầu của sự phát triển bê tông gốm, tác giả cho rằng cơ chế
đóng rắn là sự có mặt của một hàm lượng nhỏ phụ gia (1-2 % xi măng cao alumin,
thạch cao,…), tuy nhiên những nghiên cứu sâu hơn cho thấy hiệu quả của các phụ
gia ảnh hưởng tới tính chất của bê tơng gốm khơng thuận lợi, ví dụ sự có mặt của
một hàm lượng nhỏ xi măng cao alumin, thậm chí chỉ 0,5 % cũng làm giảm nhiệt độ
biến dạng dưới tải trọng của vật liệu từ 50-60 oC [33].
Sau này việc phát triển bê tông gốm dựa trên chất kết dính huyền phù gốm
nồng độ cao (Highly Concentrated Ceramic Binding Suspensions: HCBS) là bê

7


tơng khơng chứa xi măng, tính chất liên kết của nó được giải thích ở khía cạnh hóa
keo [34-37]. Đến nay công nghệ bê tông gốm do Viện sĩ Hàn lâm Liên Bang Nga,
Giáo sư Yuri Efimovich Pivinskii đặt nền móng nghiên cứu trong những năm 70
của thế kỷ trước đã được ông cùng các cộng sự phát triển và nó được sử dụng rất
phổ biến ở các nhà máy luyện kim của Liên bang Nga [7].
Bê tông gốm là vật liệu tổ hợp dị thể nhiều pha đa phân tán, bao gồm cốt liệu
gầy chịu lửa (chiếm 50-80 % thể tích) dạng hạt thơ đến hạt nhỏ, mịn gốc gốm với
thành phần hạt hợp lý nhằm đảm bảo sắp xếp khung cấu trúc xít đặc nhất, trong đó
khơng gian rỗng giữa các hạt cốt liệu gầy được lấp đầy bằng chất kết dính gốm phân
tán tinh với lực liên kết lớn làm tăng độ bền cơ học của bê tơng khi đóng rắn [38].
Kết cấu của các vật liệu này “giống bê tông” nhưng được gia cố bằng chất liên kết
gốm có cùng hoặc khác biệt hẳn về bản chất với cốt liệu gầy (về thành phần hóa
học, biến tính cấu trúc vi mơ, thành phần pha,…) song giữ được cường độ kết cấu
và tính chất chịu lửa tốt khi sử dụng ở nhiệt độ cao. Cốt liệu gầy có thể có độ xốp
khác nhau hoặc xít đặc cao, đơn hoặc đa cỡ hạt. Bê tơng gốm có thể là vật liệu

khơng định hình (như bê tơng chịu lửa, hỗn hợp đầm,…) hoặc là vật liệu định hình
[38].
Nguyên tắc cơ bản của công nghệ bê tông gốm là sử dụng chất kết dính
huyền phù gốm nồng độ cao (HCBS). HCBS thu được nhờ một cơng nghệ đặc biệt,
đó là quá trình nghiền ướt vật liệu silica, alumino-silicat hoặc các vật liệu dạng
huyền phù với nồng độ cao của các pha rắn [39], tính chất liên kết của HCBS thơng
qua số lượng nhất định các hạt keo, các hạt này được hình thành trực tiếp trong q
trình nghiền [40].
HCBS có khả năng phân tán cao nhờ sử dụng các phụ gia ổn định và được
khuấy trộn cơ học trước khi đem trộn với cốt liệu chịu lửa [41]. Theo công nghệ này
nhận được bê tông chịu lửa chất lượng cao mà không sử dụng xi măng cao alumin.
Đối với HCBS lưu trữ kéo dài sẽ gây ra sự đông tụ, do vậy HCBS được ổn định
bằng cách khuấy trộn cơ học kết hợp với các phụ gia pha loãng, khi đó trên bề mặt
HCBS có lực đẩy điện ly lẫn nhau và làm giảm độ nhớt của chúng ở độ ẩm thấp.

8


Các tính chất cơ lý của vật liệu được quyết định bởi thành phần của môi
trường phân tán, trạng thái bề mặt và độ phân tán của các hạt chất rắn đặc biệt là
hàm lượng các chất keo trong HCBS [42].
Trong chất kết dính gốm, các tính chất liên kết phụ thuộc vào nồng độ pha
rắn cao trong khi các chất kết dính thủy lực được quyết định bởi sự thủy hóa kèm
theo sự có mặt một số lượng đáng kể của chất lỏng [34].
1.2. Các xu hƣớng nghiên cứu, phát triển bê tông chịu lửa hiện tại và
trong tƣơng lai
Trong những năm gần đây đã có nhiều hướng mới trong việc nghiên cứu và
phát triển bê tông chịu lửa. Hiện tại đã phát triển các sản phẩm bê tông chịu lửa ít xi
măng tính năng cao dạng thương phẩm sử dụng cho các lị cơng nghiệp đặc biệt là
các lò luyện thép, các hướng nghiên cứu khác như bê tông chịu lửa chứa các bon, bê

tông chịu lửa công nghệ nano, bê tơng gốm cịn đang được tiếp tục.
1.2.1. Bê tơng chịu lửa ít xi măng tính năng cao.
Bê tơng chịu lửa ít xi măng tính năng cao là bê tơng chịu lửa có độ bền hố,
bền nhiệt và độ bền cơ học rất cao, trong thành phần của nó gồm có:
 Xi măng cao alumin thế hệ mới, tăng hàm lượng Al2O3 đến 80 %, giảm
hàm lượng CaO, trong đó hàm lượng CaO chỉ cịn từ 17-19 % (như
SECAR 80 của Lafarge; CA-25 của Almatis) thay vì CaO = 25-30 % (như
CA-14 của Almatis; SECAR 71 Lafarge) như trước đây [6].
 Thành phần hoạt tính (như reactive alumina) được biến thể từ dạng đơn
kích thước (mono-modal) sang dạng đa kích thước (multi-modal) [6], làm
giảm lượng nước trộn, tăng mật độ của bê tơng.
 Cốt liệu chịu lửa có độ tinh khiết cao như Tabular có Al2O3 > 99,5 %,
spinel tổng hợp, SiC tổng hợp,…
 Các phụ gia phân tán thê hệ mới gốc hữu cơ [22-24, 99], giảm lượng nước
trộn bê tơng, thậm chí lượng nước trộn bê tông < 4 %.
1.2.2. Bê tông chịu lửa chứa các bon
Sự phát triển thành công của gạch chịu lửa ô xít – các bon sử dụng cho các lị
luyện kim (như MgO-C, Al2O3-C, Al2O3-SiC-C, Al2O3-ZrO2-C và Al2O3-MgO-C)
9


trong những năm 1970 bằng cách thêm graphite vào trong thành phần của gạch làm
nâng cao độ bền sốc nhiệt, tăng độ bền hóa, chống bám xỉ,… [27].
Ý tưởng sử dụng graphite cho bê tông chịu lửa là không mới, nhưng tới nay
có rất ít sản phẩm bê tơng chịu lửa chứa các bon có mặt trên thị trường, bởi vì một
số vấn đề cơng nghệ khi sử dụng graphite đó là [27]:
 Graphite thấm ướt rất kém dẫn tới độ phân tán, độ chảy kém, lượng
nước trộn cao
 Sự khác nhau lớn giữa tỷ trọng của graphite và cốt liệu gầy dẫn tới sự
phân lớp, phân bố không đều

 Thiếu sự kết dính giữa graphite và cốt liệu tạo ra sự giảm cường độ
 Bị ơ xy hóa ở nhiệt độ cao
Bê tông chịu lửa chứa graphite khi trộn với lượng nước yêu cầu thì các cấu
tử phải thấm ướt tốt và có độ chảy (linh động) nhất định. Tuy nhiên graphite vảy
(FG) lại thấm ướt rất kém, do vậy phải biển tính FG để tăng độ thấm ướt bằng các
kỹ thuật khác nhau. Có 3 phương phương pháp biến tính graphite [27]:
a) Phủ bề mặt graphite lớp màng mỏng chứa SiO2, TiO2, Al2O3 bằng phương
pháp sol-gel, công nghệ này khá phức tạp và tốn kém, mặc dù có một số nhược
điểm song kỹ thuật lớp phủ sol-gel được chứng minh là có hiệu quả trong việc cải
thiện thấm ướt graphite, với màng phủ Al2O3 độ thấm ướt và độ bền ơ xy hóa được
cải thiện song tính chảy của bê tơng chưa thỏa đáng, cịn với màng phủ TiO 2 thì độ
thấm ướt và độ chảy của bê tơng tuyệt vời, hơn nữa nó cũng cải thiện rất lớn độ bền
ơ xy hóa.
b) Phủ SiC lên bề mặt graphite bằng phương pháp va đập tốc độ cao (high
speed impact method), ý tưởng của phương pháp này phủ lớp SiC lên bề mặt
graphite để phân tán và thấm ướt tốt hơn, theo đó graphite vảy kích thước < 150 µm
được trộn với bột SiC kích thước < 5 µm với tỷ lệ 10:3 sau đó được tác động với tốc
độ cao, khi đó SiC được bao phủ lên bề mặt graphite, hơn nữa graphite sau khi tác
động có dạng hình cầu nhỏ nên tăng độ phân tán, ưu điểm của phương pháp này là
có thể sản xuất hàng loạt với chi phí thấp. Tuy nhiên trong q trình trộn bê tông
10


lớp màng này có thể bị phá hủy bởi vì lực liên kết giữa SiC và graphite chỉ là lực
vật lý.
c) Tạo viên graphite (micropelleted graphite hoặc briquetted graphite):
Phương pháp tạo viên graphite được sử dụng khá rộng do công nghệ đơn giản hơn.
Hạt graphite được chèn vào với bột Al2O3, MgO,... với mục đích là:
 Kết tụ graphite để làm giảm bề mặt riêng
 Tăng mật độ trong hỗn hợp chứa graphite

 Biến tính bề mặt của graphite bằng cách hình thành lớp phủ thấm
nước, tăng độ phân tán của graphite trong bê tông
 Sử dụng chất chống oxy hóa thích hợp để ức chế q trình oxy hóa
của graphite.
Trong gạch chịu lửa chứa các bon, làm giảm sự ô xy hóa của các bon bằng
cách sử dụng chất chống oxy hóa như kim loại (hay hợp kim) và cacbua [27]. Trong
số này bột Al kim loại được sử dụng rộng rãi dạng thương mại. Tuy nhiên, nó
khơng được sử dụng trực tiếp trong bê tông chịu lửa chứa các bon do có xu hướng
hydrat hóa mà nó thường được phủ một lớp màng SiC hoặc SiO2 [27]
Gần đây, những tiến bộ trong việc nghiên cứu đã phát triển một loạt chất
chống ơ xy hóa mới sử dụng trong bê tơng chịu lửa chứa các bon có khả năng chống
hydrat hóa [27] gồm có: Al4SiC4, Al4O4C, B4C, ZrB2,…
Đến nay bê tông chịu lửa chứa các bon đã đạt được những thành cơng nhất
định đó là chế tạo được graphite có độ thấm ướt cao, phát triển và tổng hợp một loạt
các phụ gia chống ơ xy hóa bền nước và bền ơ xy hóa cao, tuy nhiên giá thành bê
tơng chịu lửa chứa các bon cịn khá cao, hơn nữa nó cịn có một số tính chất cịn
kém so với gạch định hình như độ xốp cao, mật độ thấp, do vậy khả năng sử dụng
của nó thay thế vật liệu chịu lửa định hình cịn hạn chế.
1.2.3. Bê tông chịu lửa công nghệ nano
Gần đây các nhà nghiên cứu đã phát triển bê tông chịu lửa chất lượng cao
bằng cách đưa vào thành phần của bê tông vật liệu kích thước nano, đó là: bột ơ xít

11


nhơm kích thước nano [30], keo silica [25,26] và các hạt keo trong chất kết dính
huyền phù gốm nồng độ cao (HCBS) [43-48].
S. Otroj và các tác giả [30] chỉ ra rằng thêm bột ơ xít nhơm nano (kích thước
trung bình 43 nm) vào trong bê tơng chịu lửa ơ xít nhơm-spinel làm tăng độ chảy
của bê tơng, hơn nữa nhiệt độ kết khối được hạ thấp xuống từ 100-200oC và cường

độ cơ học được tăng lên, kết quả thu được tốt nhất là với 1,5 % Al2O3 nano.
M.R.Ismael và các cộng sự [25,26] nghiên cứu bê tông chịu lửa corundum
dựa trên keo nano silica (kích thước trung bình 3,03 nm) chỉ ra rằng nó có nhiều
điểm thuận lợi so với bê tơng LCC đó là thời gian trộn ngắn, khơng phải bảo dưỡng
mẫu, có độ thấm khí cao ngăn chặn bê tông nứt vỡ khi gia nhiệt và tăng khả năng
kết khối của bê tông, tuy nhiên bê tông có độ xốp cao và cường độ thấp hơn nhiều
so với bê tông LCC ở nhiệt độ < 1000 oC.
Nghiên cứu của H.S.Badiee và S. Otroj [8] cũng chỉ ra các kết quả tương tự
khi sử dụng keo nano silica trong bê tơng chịu lửa corundum, trong đó hàm lượng
keo silica được sử dụng trong bê tông từ 10-11 %, khi nung trên 1000 oC thì hồn
thành việc mất nước của các nhóm hydroxyl (-OH) nên độ xốp giảm dần, cường độ
được tăng lên.
1.2.4. Bê tơng gốm tính năng cao
Phát triển song hành cùng các loại bê tông khác là bê tơng gốm tính năng
cao, đặc biệt là bê tơng gốm dựa trên HCBS cao alumin đi từ nguyên liệu đầu là sa
mốt cao nhôm, mullite, bauxite, corundum với hàm lượng của Al2O3 dao động từ
60-93 % có bổ sung 5-30 % huyền phù silica [49]. Cường độ nén của bê tông đạt
giá trị rất cao khi gia nhiệt đến 1500 oC, cụ thể bê tông gốm cao nhôm từ bauxite
được chuẩn bị bằng cách trộn 30-40 % HCBS cùng với 50-70 % cốt liệu từ 0-3 mm,
thu được phối liệu có độ ẩm 4,0-5,2 %, sau khi sấy khơ có độ bền nén từ 8-12 MPa,
khi xử lý nhiệt ở 1000oC độ bền nén 80-120 MPa và ở 1200 C, 1500 oC độ bền nén
tương ứng là 140-180 MPa và 200-300 MPa [49].
Một ưu điểm nữa của bê tông gốm là có nhiệt độ biến dạng dưới tải trọng
(RUL) cao hơn bê tông chịu lửa chứa xi măng, bởi vì bê tơng xi măng chứa thành
phần CaO làm hạ thấp nhiệt độ biến dạng dưới tải trọng. Bê tông với 62-64 %

12