Nghiên cứu ảnh hưởng của độ mịn xi măng phụ gia khoáng tới cường độ của PCB50 fico

..

HOÀNG CẢNH NGUYỄN

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

HỒNG CẢNH NGUYỄN

KỸ THUẬT HĨA HỌC

NGHIÊN CỨU ẢNH HƯỞNG CỦA ĐỘ MỊN XI MĂNG/
PHỤ GIA KHOÁNG TỚI CƯỜNG ĐỘ CỦA PCB50 FICO

LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT
HÓA SILICAT

2015B

Hà Nội – Năm 2017


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

HOÀNG CẢNH NGUYỄN

NGHIÊN CỨU ẢNH HƯỞNG CỦA ĐỘ MỊN XI MĂNG/
PHỤ GIA KHOÁNG TỚI CƯỜNG ĐỘ CỦA PCB50 FICO

Chuyên ngành: Hóa Silicat
LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT
HĨA SILICAT

NGƢỜI HƢỚNG DẪN KHOA HỌC:
PGS. TS TẠ NGỌC DŨNG

Hà Nội – Năm 2017


LỜI CAM ĐOAN
Tôi xin cam đoan luận văn thạc sỹ kỹ thuật “Nghiên cứu ảnh hưởng của độ
mịn xi măng/phụ gia khống tới cường độ của PCB50 FICO” là cơng trình
nghiên cứu của tơi dƣới sự hƣớng dẫn khoa học của PGS.TS TẠ NGỌC DŨNG.
Các kết quả nghiên cứu trong luận văn hoàn toàn trung thực, đáng tin cậy, các số
liệu tính tốn đƣợc là hồn tồn chính xác và chƣa đƣợc cơng bố trong cơng trình
nghiên cứu nào.
TP Hồ Chí Minh tháng 6 năm 2017

HỒNG CẢNH NGUYỄN


LỜI CẢM ƠN
Luận văn thạc sĩ kỹ thuật đề tài “NGHIÊN CỨU ẢNH HƯỞNG CỦA ĐỘ
MỊN XI MĂNG/PHỤ GIA KHOÁNG TỚI CƯỜNG ĐỘ CỦA PCB50 FICO”
là kết quả của quá trình cố gắng khơng ngừng của bản thân và đƣợc sự giúp đỡ,
động viên khích lệ của các thầy, bạn bè đồng nghiệp và ngƣời thân. Qua trang viết
này tôi xin gửi lời cảm ơn tới những ngƣời đã giúp đỡ tôi trong thời gian học tập nghiên cứu khoa học vừa qua.
Tơi xin tỏ lịng kính trọng và biết ơn sâu sắc đối với thầy giáo PGS.TS Tạ

Ngọc Dũng đã trực tiếp tận tình hƣớng dẫn cũng nhƣ cung cấp tài liệu thông tin
khoa học cần thiết cho luận văn này.
Tơi xin chân thành cám ơn Bộ mơn Hóa Silicate, Viện Kỹ thuật hóa học,
Trƣờng Đại học Bách Khoa Hà Nội, đã tạo điều kiện thuận lợi về thời gian, cơ sở
vật chất và tiếp cận tài liệu giúp tơi hồn thành đƣợc luận án này.
Tơi xin cám ơn Lãnh đạo Viện Kỹ thuật Hóa học, q thầy cơ trong Viện Kỹ
thuật Hóa học và trong bộ mơn Hóa Silicat đã hƣớng dẫn, giúp đỡ và động viên tôi
trong quá trình thực hiện đề tài luận án.
Xin chân thành cảm ơn Lãnh đạo Công ty CP Xi măng FICO Tây ninh, các
phịng thí nghiệm tại các Nhà máy đã tạo điều kiện cho tơi hồn thành tốt cơng việc
nghiên cứu khoa học của mình.
Cuối cùng xin chân thành cảm ơn đồng nghiệp, đơn vị công tác đã giúp đỡ tơi
trong q trình học tập và thực hiện Luận văn.


MỤC LỤC
MỞ ĐẦU .....................................................................................................................1
1. Lý do chọn đề tài. ................................................................................................1
2. Mục đích nghiên cứu của luận văn, đối tƣợng, phạm vi nghiên cứu. .................3
3. Tóm tắt các luận điểm cơ bản và đóng góp mới của tác giả: ..............................3
4. Phƣơng pháp nghiên cứu. ....................................................................................4
Chƣơng 1: TỔNG QUAN TÀI LIỆU .........................................................................5
1.1. Lý thuyết về xi măng Portland. .......................................................................5
1.1.1. Khái niệm. ..................................................................................................5
1.1.2.

Sơ đồ của các phƣơng pháp nghiền: .....................................................6

1.1.3.

Thành phần hóa học của clinker xi măng Portland. .............................7

1.1.4.

Thành phần hóa học của clinker: ..........................................................7

1.1.5.

Thành phần khoáng của clinker xi măng Portland. ..............................9

1.2 Khái niệm về các loại phụ gia ........................................................................11
1.2.1. Phụ gia thủy. ............................................................................................11
1.2.1.1. Khái niệm ...............................................................................................11
1.2.1.2. Phân loại phụ gia thủy ..........................................................................12
1.2.2. Phụ gia điều chỉnh ...................................................................................14
1.2.3. Phụ gia lƣời ..............................................................................................14
1.2.4. Phụ gia bảo quản ......................................................................................14
1.3. Q trình hóa lý xảy ra khi xi măng đóng rắn.. ..............................................14
1.3.1. Q trình lý học khi đóng rắn xi măng. ...................................................14
1.3.2. Q trình hố học khi xi măng đóng rắn .................................................19
1.4. Khái niệm về độ mịn : ....................................................................................26
1.4.1. Độ mịn: ....................................................................................................26
1.4.2. Phân bố cỡ hạt..........................................................................................26
1.4.3. Diện tích bề mặt riêng..............................................................................27
1.5. Lịch sử nghiên cứu. ........................................................................................28


CHƢƠNG 2: NHỮNG NGHIÊN CỨU THỰC NGHIỆM ......................................31
2.1. Nội dung nghiên cứu: .....................................................................................31
2.1.1. Sơ đồ nghiền clinker và thạch cao: ..........................................................32

2.1.2. Sơ đồ nghiền clinker và đá vôi: ...............................................................33
2.1.3. Sơ đồ nghiền clinker và puzolan: ............................................................34
2.1.4. Sơ đồ nghiền clinker, thạch cao, đá vôi: ..................................................35
2.1.5. Sơ đồ nghiền clinker, thạch cao, puzolan: ...............................................36
2.1.6. Khảo sát nguyên liệu ban đầu: .................................................................39
2.2. Phƣơng pháp nghiên cứu: ...............................................................................39
2.2.1. Phƣơng pháp nhiễu xạ tia X: ...................................................................39
2.2.2. Phƣơng pháp kính hiển vi điện tử:...........................................................39
2.2.3. Phƣơng pháp tán xạ Laser: ......................................................................40
2.2.4. Phƣơng pháp xác định độ dẻo của hồ xi măng: .......................................41
2.2.5. Phƣơng pháp xác định thời gian đông kết: ..............................................42
2.2.6. Phƣơng pháp xác định độ mịn: ................................................................42
2.2.6.1. Phƣơng pháp sàng:................................................................................42
2.2.6.2. Phƣơng pháp thấm khí : ........................................................................43
2.2.6.3. Phƣơng pháp xác định khối lƣợng riêng : ............................................43
2.2.7. Phƣơng pháp xác định cƣờng độ nén: .....................................................44
Chư ng 3 - K T QUẢ VÀ BÀN LU N ...............................................................45
3 1 K t quả khảo sát ngu ên i u an đầu ......................................................45
3.1.1. Thành phần hóa, thành phần khống của clinker FICO Tây Ninh. .........45
3.1.2. Thành phần hóa của đá vơi Sroc Con Trăn Tây Ninh. ............................46
3.1.3. Thành phần hóa của thạch cao. ................................................................46
3.1.4. Thành phần hóa của Puzolan Bình Phƣớc. ..............................................46
3.2. Kết quả các thí nghiệm cấp phối. ...................................................................47
3.2.1. Kết quả độ mịn các mẫu nghiền ..............................................................47
3.2.2. Kết quả mẫu clinker nghiền. ....................................................................49
3.2.3. Kết quả mẫu cấp phối clinker và thạch cao .............................................51


3.2.4. Kết quả mẫu cấp phối clinker và đá vôi .................................................54
3.2.5. Kết quả mẫu cấp phối clinker và puzolan...............................................57

3.2.6. Kết quả mẫu cấp phối clinker, Thạch cao và đá vôi ................................60
3.2.7. Kết quả mẫu cấp phối clinker, thạch cao và puzolan ..............................63
3.2.8. Nhận xét về các mẫu nghiên cứu không có thạch cao: ............................67
KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ ..................................................................................68
TÀI LIỆU THAM KHẢO ......................................................................................70
PHỤ LỤC ..................................................................................................................72

DANH MỤC ĐỒ THỊ
Đồ thị 1: Đƣờng cong phân bố thành phần cỡ hạt của mẫu M20 .........................50
Đồ thị 2: Đƣờng cong phân bố thành phần cỡ hạt của mẫu T22 ..........................52
Đồ thị 3: Đƣờng cong phân bố thành phần cỡ hạt của mẫu D22 ..........................55
Đồ thị 4: Đƣờng cong phân bố thành phần cỡ hạt của mẫu P22 ..........................58
Đồ thị 5: Đƣờng cong phân bố thành phần cỡ hạt của mẫu TD22 .......................61
Đồ thị 6: Đƣờng cong phân bố thành phần cỡ hạt của mẫu TP22 ........................65

DANH MỤC HÌNH VẼ
Hình 1. Ảnh SEM của mẫu M20 .............................................................................50
Hình 2. Ảnh SEM của mẫu T22, 3 ngày tuổi ..........................................................53
Hình 3. Ảnh SEM của mẫu D22, 3 ngày tuổi ..........................................................56
Hình 4. Ảnh SEM của mẫu P22, 3 ngày tuổi ..........................................................59
Hình 5. Ảnh SEM của mẫu TD22, 3 ngày tuổi .......................................................62
Hình 6. Ảnh SEM của mẫu TP22, 3 ngày tuổi ........................................................66


DANH MỤC BẢNG
Bảng 1.1.Phân loại phụ gia thủy theo độ hoạt tính ........................................12
Bảng 1.2. Phân loại phụ gia thủy theo nguồn gốc .........................................12
Bảng 1.3. Tóm tắt q trình lý học khi xi măng đóng rắn .............................15
Bảng 2.1. Bảng mã hóa mẫu nghiền riêng từng loại theo thời gian ..............37
Bảng 2.2. Bảng mã hóa mẫu cấp phối clinker và thạch cao ..........................37

Bảng 2.3. Bảng mã hóa mẫu cấp phối clinker và đá vơi ................................38
Bảng 2.4. Mã hóa mẫu trộn cấp phối clinker và puzolan ............................38
Bảng 2.5. Mã hóa mẫu trộn cấp phối clinker, thạch cao và đá vôi ...............38
Bảng 2.6. Mã hóa mẫu trộn cấp phối clinker, thạch cao và puzolan ...........39
Bảng 3.1. Thành phần khống, hóa của clinker. ............................................45
Bảng 3.2. Kết quả thí nghiệm mẫu clinker ở nhà máy xi măng FICO Tây
Ninh. ...............................................................................................................45
Bảng 3.3. Thành phần hóa của đá vôi Sroc Con Trăn Tây Ninh. ..................46
Bảng 3.4. Thành phần hóa của thạch caoThái Lan. .......................................46
Bảng 3.5. Thành phần hóa Puzolan Bình Phƣớc. ..........................................46
Bảng 3.6. Kết quả về độ mịn của các mẫu nghiền .........................................47
Bảng 3.7. Kết quả về độ mịn của các mẫu trộn cấp phối ...............................48
Bảng 3.8 Kết quả R nén của mẫu clinker với thời gian nghiền khác nhau. ...49
Bảng 3.9. Kết quả Rnén của mẫu cấp phối clinker thạch cao........................51
Bảng 3.10. Kết quả cƣờng độ nén mẫu cấp phối đá vôi ................................54
Bảng 3.11. Kết quả Rnén mẫu cấp phối puzolan ...........................................57
Bảng 3.12. Kết quả về tỉ diện và Rnén mẫu cấp phối với thạch cao, đá vôi .60
Bảng 3.13. Kết quả về tỉ diện và Rnén mẫu cấp phối cliner, thạch cao và
puzolan ...........................................................................................................63
Bảng 3.14. Kết quả các mẫu không thạch cao ...............................................67


CÁC CHỮ VI T TẮT
1. PC:

Portland Cement.

2. PCB:

Portland Cement Blended .

3. VLXD:

Vật liệu xây dựng.

4. ASTM:

American Society for Testing and Materials (hiệp hội vật liệu

và
thử nghiệm Hoa Kỳ.
5. TCVN:

Tiêu chuẩn Việt Nam.

6. SEM:

Scanning Electron Microscope, kính hiển vi điện tử quét.

7. ĐATN:

Đồ án tốt nghiệp.

8. LVThS:

Luận văn Thạc sĩ.

9. CaOtd:

Vôi tự do.

10. p:

Phút

11. XRD:

X-ray diffraction- Phân tích nhiễu xạ tia X.

12. XRF:

X-ray flourescence- Phân tích huỳnh quang tia X

13. R nén:

Cƣờng độ chịu nén.

14. EDS:

Energry- dispersive X-ray spectroscopy.

15. CKT:

Cặn không tan.

16. MKN:

Mất khi nung.

MỞ ĐẦU
1. Lý do chọn đề tài.
Theo số liệu thống kê của Vicem tổng sản lƣợng xi măng trong nƣớc năm
2015-2016 là 75-76 triệu tấn, dự báo kế hoạch sản xuất năm 2016-2020 đạt 93-95
triệu tấn mới đáp ứng đủ nhu cầu sử dụng xi măng trong nƣớc và xuất khẩu[1]. Do
đó, cơng nghiệp sản xuất xi măng là ngành mũi nhọn của ngành sản xuất vật liệu
xây dựng, nó đóng vai trị quan trọng trong nền kinh tế quốc dân. Hằng năm, ngành
công nghiệp sản xuất xi măng đã nộp vào ngân sách nhà nƣớc hàng ngàn tỷ đồng,
giải quyết hàng ngàn lao động.
Hiện nay trên thế giới và trong nƣớc đã và đang có nhiều cơng trình nghiên
cứu sản xuất các loại clinker khác nhau hoặc trên cơ sở xi măng gốc và các loại phụ
gia khoáng cho ra đời nhiều chủng loại xi măng có chất lƣợng cao, nhằm thỏa mãn
các yêu cầu các hạng mục trong xây dựng dân dụng và cơng nghiệp.
Nhằm mục đích tăng tính cạnh tranh trên thị trƣờng tiêu thụ xi măng trong
nƣớc và xuất khẩu, ngành công nghiệp sản xuất xi măng không ngừng đổi mới về
công nghệ, thiết bị sản xuất để tăng năng suất, nâng cao chất lƣợng sản phẩm, giảm
chi phí tiêu hao năng lƣợng và nguyên vật liệu góp phần hạ giá thành sản phẩm.
Để cải thiện các tính chất cơ lý xi măng portland hỗn hợp, hiện nay có
nhiều giải pháp khác nhau, một trong các giải pháp đó là nghiên cứu thành phần cỡ
hạt, tỉ diện của từng cấu tử có trong xi măng portland hỗn hợp ảnh hƣởng đến
cƣờng độ xi măng.Trên cơ sở đó đƣa ra giải pháp cơng nghệ và kỹ thuật nhằm đạt
đƣợc thành phần cỡ hạt, độ mịn và tỉ lệ xi măng và phụ gia khoáng hợp lý sẽ giúp
ngành công nghiệp sản xuất xi măng trong nƣớc chủ động đầu tƣ công nghệ nghiền
và thiết bị nghiền cho hiệu quả về kinh tế và kỹ thuật.
Các tính chất của xi măng nhƣ hoạt tính, tốc độ đóng rắn… đƣợc quyết
định khơng chỉ bởi thành phần khống và hóa của clinker, hình dạng và kích thƣớc
của các tinh thể alit, belit… mà còn phụ thuộc rất nhiều vào độ nghiền mịn của sản
phẩm, thành phần và hình dạng các hạt xi măng, các hạt phụ gia.

1

Cƣờng độ nén của xi măng phụ thuộc vào tốc độ hydrat hóa của xi măng,
lƣợng và bản chất tinh thể hydrat hóa đƣơc tạo ra và đặc biệt là cách sắp xếp các
chất hydrate (cấu trúc của đá xi măng). Do đó hạt xi măng càng mịn thì diện tích bề
mặt phản ứng tăng nên tốc độ hydrat hóa tăng, lƣợng tinh thể đƣợc tạo ra cũng
nhiều hơn, do đó cƣờng độ sớm cao. Nếu xi măng nhiều hạt thơ sẽ khó diễn ra hồn
tồn q trình hydrat vì thực tế chỉ phản ứng đến một độ sâu nhất định.
Tuy nhiên nếu xi măng hoàn toàn các hạt mịn thì các hạt phản ứng xảy ra
gần nhƣ đồng thời bắt đầu phản ứng với nƣớc, tạo gel đồng thời, kết tinh và tái kết
tinh đồng thời nên đồng thời tạo ra ứng suất, d o đó gây thì cũng có hạt tạo gel nên
triệt tiêu ứng suất. Hơn nữa, nếu thành phần cấp phối cỡ hạt hợp lý cách sắp xếp các
hợp chất hydrate sít đặc hơn, tạo khung cấu trúc bền vững, nâng cao cƣờng độ cho
xi măng.
Có nhiều tác giả trong và ngoài nƣớc (Viện VLXD Việt Nam,Tsivilis.S,
Irassar, E.FZarov, Vuk.T, Erdogdu.K,Wang.P.Z …) nghiên cứu về độ mịn, thành
phần cỡ hạt, dải cỡ hạt của đá vôi, thạch cao, puzơlan, xi măng đến sự phát triển của
cƣờng độ xi măng portland nêu ở mục 1.5 : Lịch sử nghiên cứu. [1]
Từ các nghiên cứu đã tập hợp ta thấy: Độ mịn và loại phụ gia ảnh hƣởng tới một số
tính chất của xi măng, nhƣng:
– Các kết quả nghiên cứu về cùng một đối tƣợng còn những điểm chƣa
thống nhất hoặc cịn chƣa làm rõ hồn tồn;
– Các kết quả nghiên cứu cũng chỉ ra, nhiều kết quả chỉ có tính cá biệt,
phụ thuộc từng nghiên cứu cụ thể. Các kết quả khái quát chủ yếu
mang tính định hƣớng.
Do vậy, với đối tƣợng cụ thể là clinker FiCO Tây Ninh và các phụ gia đá vôi
Sroc Con Trăn Tây Ninh, thạch cao Thái Lan, Puzolan Bình Phƣớc thì các nghiên
cứu kiểm chứng là cần thiết trƣớc khi ứng dụng. Cho nên, tôi chọn đề tài: “Nghiên

cứu ảnh hưởng độ mịn xi măng/phụ gia khoáng tới cường độ PCB50 Fico”

2


2 Mục đích nghiên cứu của uận văn, đối tượng, phạm vi nghiên cứu
Mục đích nghiên cứu:
•

Khảo sát ảnh hƣởng của thạch cao, đá vôi, puzolan tới cƣờng độ đá xi măng.

•

Khảo sát ảnh hƣởng của độ mịn clinker nghiền, thạch cao, đá vôi, puzolan. tới
cƣờng độ đá xi măng
Đối tượng nghiên cứu:
•

Ảnh hƣởng của độ mịn clinker nghiền tới một số tính chất của đá xi măng.

•

Ảnh hƣởng của độ mịn thạch cao tới một số tính chất cơ lý của xi măng.

•

Ảnh hƣởng của độ mịn đá vơi tới một số tính chất cơ lý của xi măng.

•

Ảnh hƣởng của độ mịn puzolan tới một số tính chất cơ lý của xi măng.

Phạm vi nghiên cứu:
 Nghiên cứu ảnh hƣởng của độ mịn clinker nghiền tới cƣờng độ xi măng.
 Nghiên cứu ảnh hƣởng của độ mịn thạch cao tới cƣờng độ xi măng.
 Nghiên cứu ảnh hƣởng của độ mịn đá vôi tới cƣờng độ xi măng.
 Nghiên cứu ảnh hƣởng của độ mịn puzolan tới cƣờng độ xi măng.
 Nghiên cứu ảnh hƣởng của hỗn hợp thạch cao + đá vôi tới cƣờng độ xi măng
 Nghiên cứu ảnh hƣởng của hỗn hợp thạch cao + puzolan tới cƣờng độ xi
măng
3. Tóm tắt các uận điểm c
-

ản và đóng góp mới của tác giả:

Nghiền riêng clinker, nghiền riêng phụ gia với nhiều cấp độ khác nhau. Sau đó định
lƣợng mỗi loại rồi trộn lại với nhau. Tiến hành kiểm tra tỉ diện, thành phần hạt,
cƣờng độ chịu nén, và số tính chất của xi măng (thời gian ninh kết, lƣợng nƣớc tiêu
chuẩn, độ ổn định thể tích). Trên cơ sở này tác giả so sánh hiệu quả kinh tế, kỹ thuật
so với nghiền chung.

-

Cung cấp thêm những thơng tin bổ ích, làm tài liệu tham khảo về việc nghiên cứu
ảnh hƣởng độ mịn của các thành phần có trong xi măng đến sự phát triển sớm
cƣờng độ xi măng portland hỗn hợp theo phƣơng pháp nghiền riêng.

3


4. Phư ng pháp nghiên cứu.

Vật liệu sử dụng:
 Clinker FiCO Tây Ninh.
 Đá vôi Sroc Con Trăn Tây Ninh.
 Thạch cao Thái Lan.
 Puzolan Bình Phƣớc.
Quy trình thực nghiệm:
Nghiền
riêng
(20, 35,
65, 150
phút).
Xác định
độ mịn
mẫu
nghiền.

Đập
riêng
(<5mm)
Clinker
Thạch
cao
Đá vôi
Puzolan

Trộn tạo
các mẫu
xi măng
theo yêu
cầu. Xác

định độ
mịn xi
măng.

Thử
nghiệm một
số tinh chất
cơ lý (nƣớc
tiêu chuẩn,
thời gian
đông kết,
cƣờng độ)

Phân tích
cấu trúc,
thành
phần
khống

Các phƣơng pháp phân tích:
– Xác định thành phần khoáng: phƣơng pháp nhiễu xạ tia X.
– Nghiên cứu vi cấu trúc của hồ: phƣơng pháp kính hiển vi điện tử
– Xác định thành phần hạt: Tán xạ laser.
– Xác định độ mịn (TCVN 4030:2003)
– Xác định các tính chất cơ lý:
•

Độ dẻo tiêu chuẩn (TCVN 6017:2015)

•

Thời gian đơng kết (TCVN 6017:2015)

•

Cƣờng độ (TCVN 6016:2011)

4


Chư ng 1: TỔNG QUAN TÀI LIỆU
1 1 Lý thu t về xi măng Port and [2], [3], [4]
1.1.1. Khái niệm.
Xi măng Portland (PC) là chất kết dính thủy lực, khi trộn nó với nƣớc sẽ tạo
hồ dẻo có tính kết dính và đóng rắn đƣợc trong mơi trƣờng khơng khí, mơi trƣờng
nƣớc. Hồ dẻo trong q trình đóng rắn sẽ phát triển cƣờng độ.
Xi măng Portland là sản phẩm nghiền mịn của clinker, thạch cao thiên nhiên
và đôi khi còn pha thêm một vài loại phụ gia khác nhằm cải thiện một số tính chất
của xi măng và tăng sản lƣợng, hạ giá thành.
Ngƣời ta sản xuất clinker bằng cách nung đến kết khối phối liệu đã đƣợc
nghiền mịn và đồng nhất gồm ngun liệu chính là đá vơi, đất sét và các loại
nguyên liệu phụ để điều chỉnh các hệ số đặc trƣng.
-

PC viết tắt là Portland Cement. Để sản xuất xi măng này bằng cách
nghiền chung clinker với (3-5)% thạch cao thiên nhiên. Tùy theo chất
lƣợng clinker, có thể sử dụng phụ gia khống hoạt tính và phụ gia công
nghệ. Tuy nhiên, tổng lƣợng phụ gia không đƣợc vƣợt q 15%. Trong
đó, phụ gia hoạt tính khơng đƣợc vƣợt quá 10%.
Xi măng portland có các mác sau: PC30, PC40, PC50

-

PCB là viết tắt của Portland Cement Blended: Sản xuất xi măng này bằng 2
cách nghiền chung và nghiền riêng. Tùy theo chất lƣợng clinker xi măng và
phụ gia, tổng lƣợng các loại phụ gia khống (khơng kể thạch cao) trong xi
măng Portland hỗn hợp tính theo khối lƣợng xi măng khơng vƣợt q 40%.
Trong đó, phụ gia đầy không đƣợc vƣợt quá 20%. Phụ gia công nghệ không
vƣợt quá 1%.

-

Phƣơng pháp nghiền chung: Cho clinker, thạch cao thiên nhiên (3-5%) và các loại
phụ gia khác vào chung trong thiết bị nghiền để nghiền.

-

Phƣơng pháp nghiền riêng: Nghiền chung clinker và thạch cao thiên nhiên để có PC, các
loại phụ gia khác nghiền riêng. Sau đó tùy theo yêu cầu ta định lƣợng PC và phụ gia cho
vào thiết bị trộn để đồng nhất.
5


1.1.2. Sơ đồ của các phƣơng pháp nghiền:
S đồ công ngh nghiền riêng sản xuất PC
Định
Silolƣợng
clinker

Máy nghiền

Silo chứa 100%
bột xi măng

Định lƣợng

Thiết bị
trộn

Silo thạch cao

Máy nghiền

Định lƣợng

Silo chứa 100%
bột thạch cao

Định lƣợng

S đồ công ngh nghiền chung sản xuất PC
Định
lƣợng
Silo
clinker

Định
Silolƣợn
thạch

Định lƣợng

cao Định lƣợng

Máy nghiền

Silo chứa PC

S đồ nghiền chung sản xuất PCB
ịnh lƣợng
Silo

Định lƣợng

clinker
lƣợng Silo

Định lƣợng

thạch cao

Máy nghiền

Silo chứa PCB

Định lƣợng

Silo các loại
phụ gia

Định lƣợng

6

Silo PC


S đồ công ngh nghiền riêng sản xuất PCB:
Định lƣợng
Định lƣợng

Silo Clinker
Máy
nghiền

Định lƣợng
Định lƣợng

Silo, PC

XM PC

Định lƣợng

Silo
Thạch cao

Silo
các loại
Phụ gia

Định
lƣợng

Máy
nghiền,
nghiền
riêng
từng
thành
phần

Định lƣợng

Máy
trộn

Silo

Silo,
PCB

Định lƣợng

1.1.3. Thành phần hóa học của clinker xi măng Portland. [2],[3],[4]
1.1.4. Thành phần hóa học của clinker:
gồm có 4 ơxit chính CaO, SiO2, Al2O3, Fe2O3 chiếm (95 –97)%, cịn lại (3 5) % là các ơxit khác có hàm lƣợng không lớn lắm: MgO, K2O, Na2O, TiO2,
Mn2O3, SO3, P2O5 …
Thành phần hóa học clinker xi măng Portland thơng thƣờng trong giới hạn:
CaO = 63 - 67%

MgO ≤ 5%

SiO2 = 21 - 24%

TiO2 ≤ 0,5%

Al2O3 = 4 - 8%

Mn2O3 < 3%

Fe2O3 = 2 - 4%

R2O < 1 %

P2O5: phụ thuộc ngun liệu, có thể làm phụ gia khống hố.
Những ơxit trong clinker đều ảnh hƣởng đến thành phần khoáng clinker và ảnh
hƣởng đến tính chất sử dụng của xi măng Portland.

7


 CaO: Thành phần chính thứ nhất trong clinker xi măng. Muốn clinker có
chất lƣợng tốt thì CaO phải liên kết hết với các oxit khác tạo ra các khống
có tính kết dính cho cƣờng độ cao. Trƣờng hợp ngƣợc lại, lƣợng CaO td sẽ
nhiều. Khi CaOtd ở nhiệt độ cao (1450oC) thì CaOtd bị già lửa tạo tinh thể lớn
và cấu trúc sít đặc làm cho sản phẩm xi măng kém ổn định về thể tích vì q
trình hydrat hóa CaOtd kèm theo sự tỏa nhiệt và trƣơng nở thể tích. Q trình
này có thể diễn ra trong thời gian dài. Clinker chƣa nhiều CaO nếu kết hợp
tốt với SiO2 và các oxit khác sẽ tạo nhiều dung dịch rắn Alit. Điều này làm

cho hồ xi măng đóng rắn nhanh, mác cao, tỏa nhiều nhiệt. Nhƣng xi măng
kém bền trong môi trƣờng nƣớc và môi trƣờng sunfat.
 SiO2: Thành phần chính thứ 2. Nó tác dụng với CaO tạo các khống silicat.
Nếu tăng hàm lƣợng SiO2 thì tổng khống silicat sẽ tăng.
 Al2O3: Nó sẽ liên kết với CaO tạo các khoáng aluminatcanxi và liên kết
Fe2O3 tạo ra khoáng alumoferitcanxi. Nếu tăng hàm lƣợng Al2O3 thì trong
clinker xi măng sẽ chƣa nhiều C3A. Xi măng đóng rắn nhanh tỏa nhiều nhiệt,
kém bền trong môi trƣờng nƣớc và sunfat. Đồng thời làm độ nhớt pha lỏng
tăng gây cản trở quá trình tạo khống C3S.
 Fe2O3: Nó liên kết với CaO và Al2O3 tạo ra feritcanxi alumoferitcanxi làm
giảm nhiệt độ kết khối clinker và độ nhớt pha lỏng. Sản phẩm đóng rắn chậm
ở giai đoạn đầu nhƣng có độ bền trong môi trƣờng nƣớc và sunfat cao. Nếu
tăng hàm lƣợng Al2O3 thì dễ bị anơ trong lị quay.
 MgO: Nó là thành phần có hại trong clinker xi măng giống CaOtd. Khi ở
nhiệt độ 1450oC nếu MgO không liên kết sẽ bị già lửa tạo thành khống chịu
lửa periclazơ có kích thƣớc lớn, trơ và khơng có tính kết dính. Q trình
hydrat có thể diễn ra vài năm làm sản phẩm khơng ổn định thể tích. Cần
khống chế hàm lƣợng MgO<5% trong q trình nung luyện. Thực tế MgO có
trong clinker xi măng tồn tại ở ba dạng: khoáng periclazơ, dung dịch rắn với
khoáng silicat (54CaO.16SiO2.Al2O3.MgO), và nằm trong pha thủy tinh.

8


Khi MgO ở dạng periclazơ với hàm lƣợng>3%, kích thƣớc tinh thể
>10µm, tác dụng với nƣớc chậm, khi đóng rắn xi măng khơng ổn định thể
tích ảnh hƣởng đến chất lƣợng sản phẩm. Còn khi MgO nằm trong dung dịch
rắn hoặc pha thủy tinh clinker thì khơng gây ảnh hƣởng đến chất lƣợng sản
phẩm.
1.1.5. Thành phần khoáng của clinker xi măng Portland. [2],[3],[4]

Clinker xi măng Portland không phải là sản phẩm đồng nhất, nó là tập hợp
của nhiều khống khác nhau, trong đó các khống chính là khống silicatcalci,
khống aluminatcalci, khống alumoferitcalci, ngồi ra cịn một số khống khác
nhƣ khống chứa kiềm.
+ Khoáng C3S (3CaO.SiO2)
- Tên gọi: tricalci silicat hay alit.
- Thực tế là một dung dịch rắn gồm C3S và một lƣợng nhỏ MgO, Al2O3,
P2O5, Cr2O5... khoảng 2 - 4 %.
- Công thức thực tế: C54S16AM (54CaO.16SiO2.Al2O3.MgO)
- Hàm lƣợng trong clinker chiếm (45 - 60)%.
- Tính chất:
+ Cho mác cao.
+ Đóng rắn nhanh, toả nhiệt lớn.
+ Khơng bền trong mơi trƣờng nƣớc, sulfat.
 Khống C2S (2CaO.SiO2)
- Tên gọi: dicalci silicat hay belit
- Thực tế là một dung dịch rắn trong đó C2S lớn nhất, ngồi ra cịn có Cr2O3,
Al2O3, Fe2O3… với hàm lƣợng nhỏ khoảng 1 - 3%.
- Hàm lƣợng trong clinker chiếm 20 - 30%.
- Tính chất:
+ Cho mác thấp hơn C3S
+ Đóng rắn tƣơng đối chậm, toả nhiệt nhỏ hơn C3S

9


+ Tƣơng đối bền trong môi trƣờng nƣớc, sulfat
 Chất trung gian (chất đệm)
Chất trung gian nằm giữa các tinh thể alit và belit, nó là những
alumoferitcalci, aluminatcalci và pha thủy tinh clinker.

 Khoáng C3A (3CaO.Al2O3)
- Tên gọi: tricalci aluminat.
- Hàm lƣợng chiếm (5 –15)%, thực tế trong clinker thì < 10%.
- Tính chất:
+ Đóng rắn nhanh.
+ Lƣợng nhiệt toả ra lớn hơn C2S.
+ Cho mác cao hơn C2S.
+ Không bền trong mơi trƣờng nƣớc, sulfat.
 Khống C4AF (4CaO.Al2O3.Fe2O3)
- Tên gọi: alumoferitcalci
- Hàm lƣợng: (97 - 98)% - ∑(C3S + C2S + C3A)
- Tính chất:
+ Là khống nặng nhất trong 4 khống.
+ Đóng rắn chậm hơn C2S.
+ Tỏa nhiệt ít hơn C2S.
+ Cho mác thấp nhất.
+ Bền trong môi trƣờng nƣớc, sulfat.
 Thủy tinh clinker
Là chất trung gian trong clinker xi măng Portland đƣợc tạo thành do quá
trình làm lạnh chất lỏng trong clinker. Hàm lƣợng pha thủy tinh clinker phụ thuộc
chủ yếu vào tốc độ làm lạnh, pha thủy tinh clinker chứa một lƣợng lớn Al 2O3,
Fe2O3, ngoài ra cịn một lƣợng nhỏ CaO, MgO.
 Các khống chứa kiềm

10


Nằm trong các dung dịch rắn đó là C2S (K2O.23CaO.12SiO2) và C3A
(Na2O.8CaO.3Al2O3). Các khống này khơng có lợi vì nó làm tốc độ đóng rắn của
xi măng khơng ổn định, bề mặt sản phẩm có vết loang.

 CaO tự do
Trong clinker chỉ cho phép khoảng (0,5 - 1)%, nếu hàm lƣợng cao hơn sẽ
ảnh hƣởng tới chất lƣợng sản phẩm, làm cho xi măng khi đóng rắn khơng ổn định
thể tích.
1.2 Khái ni m về các oại phụ gia [5]
Phụ gia là hóa chất hay nguyên liệu dùng để pha vào phối liệu hay cho vào
nghiền chung với clinker xi măng, nhằm cải thiện cơng nghệ nghiền, nung hay tính
chất của sản phẩm đƣợc gọi chung là phụ gia. Ngoài ra cịn góp phần hạ giá thành
sản phẩm và tăng sản lƣợng (phụ gia đầy).
Có nhiều loại phụ gia, ở phần này chú trọng đến phụ gia puzolan (phụ gia
thủy), ngồi ra cịn đề cập đến các loại phụ gia khác nhƣ phụ gia điều chỉnh, phụ gia
bảo quản, phụ gia lƣời (đầy).
1.2.1. Phụ gia thủy.
1.2.1.1. Khái niệm
Phụ gia thủy là một chất khi nghiền mịn trộn với vôi cho ta một chất có tính
kết dính và đóng rắn, cịn khi trộn với xi măng Portland nó sẽ kết hợp với vơi tự do
và vơi thốt ra của các phản ứng hóa học khi đóng rắn xi măng, do đó làm tăng độ
bền nƣớc, độ bền sulfat của xi măng Portland.
Bản thân phụ gia thủy khi nghiền mịn trộn với nƣớc khơng cho ta cƣờng độ,
khơng có tính chất kết dính, đó là đặc điểm khác với xỉ lị cao.
Thành phần hóa học chủ yếu của phụ gia thủy là SiO2 hoạt tính và một lƣợng
nƣớc liên kết nhất định, ngồi ra cịn có chứa một lƣợng oxit nhơm, oxit sắt. Hàm
lƣợng oxit silic hoạt tính càng cao thì độ hoạt tính của phụ gia thủy càng lớn.
Chất lƣợng của phụ gia thủy hoạt tính phụ thuộc vào hoạt tính hút vơi và
mức độ hoạt tính thủy lực của nó.

11


Độ hoạt tính (hoạt tính hút vơi) của phụ gia thủy đƣợc xác định bằng số miligam vôi

bị một gam phụ gia hấp thụ trong 30 ngày đêm sau 15 lần chuẩn. Lƣợng vôi bị một
gam phụ gia hấp thụ càng nhiều thì độ hoạt tính của phụ gia thủy càng cao.
Phụ gia thủy đƣợc phân loại theo độ hoạt tính ở bảng 1.1.
Bảng 1.1.Phân loại phụ gia thủy theo độ hoạt tính
Loại phụ gia
Độ hoạt tính
(mg CaO/1 gam phụ gia)
Rất mạnh

> 150

Mạnh

100 - 150

Trung bình mạnh

70 - 100

Trung bình

50 -70

Yếu

30 - 50

 Hoạt tính thủy lực cịn gọi là chỉ số hoạt tính: Chính là tỉ số mác (Rnén)
của mẫu xi măng pha phụ gia với mác (Rnén) của mẫu xi măng không pha phụ gia
[xi măng PC: (95% - 97%) clinker + (3% - 5%) thạch cao thiên nhiên].

Hiện nay đánh giá chất lƣợng phụ gia thƣờng thiên về sử dụng chỉ số hoạt
tính. Vì đánh giá chất lƣợng phụ gia theo độ hút vơi, mức độ chính xác thấp hơn. Lý
do khả năng hút vôi của phụ gia có hai phần: phần hấp thụ vật lý thuần túy vào mao
quản, lổ rỗng của các hạt phụ gia và phần phản ứng hóa học.
1.2.1.2. Phân loại phụ gia thủy
Phụ gia thủy đƣợc phân loại theo bảng 1.2 nhƣ sau:
Bảng 1.2. Phân loại phụ gia thủy theo nguồn gốc
Phụ gia thủy thiên nhiên
Phụ gia thủy
Nguồn gốc từ núi lửa Nguồn gốc trầm tích
nhân tạo
( loại phún xuất )
( cấu tạo vỏ trái đất)

12


+ Tro núi lửa

+ Điatomit

+ Đất sét nung

+ Pozzolan

+ Trepen

+ Silic hoạt tính phế liệu

+ Tup

+ Opoka

+ Tro, xỉ nhiên liệu

+ Đá bọt

+ Khoáng sét

+ Trass
 Phụ gia thủy thiên nhiên
- Phụ gia thủy thiên nhiên có nguồn gốc từ núi lửa: Là loại đá thiên nhiên do
núi lửa tạo thành, thành phần hóa học gồm oxit silic hoạt tính, ôxit nhôm hoạt tính,
tạp chất đất sét và một lƣợng nƣớc hóa học.
Độ hoạt tính của nó chủ yếu phụ thuộc vào hàm lƣợng ơxit silic và nƣớc hóa học,
ngồi ra cịn phụ thuộc vào q trình làm lạnh khi tạo ra nó.
- Phụ gia thủy thiên nhiên có nguồn gốc trầm tích: Hình thành trong q
trình cấu tạo vỏ trái đất, là những khống nhẹ, dễ nghiền, xốp, khơ, dễ hút ẩm,
thành phần hóa học chủ yếu là ơxit silic vơ định hình. Trọng lƣợng riêng của loại
phụ gia này rất nhỏ.
+ Điatomit 0,75 g/cm3
+ Trepen 0,85 g/cm3
+ Opoka 0,14 g/cm3
Trọng lƣợng riêng càng nhỏ độ xốp càng lớn, độ hoạt tính càng cao.
 Phụ gia thủy nhân tạo
- Silic hoạt tính phế liệu: Là phế liệu của ngành sản xuất phèn nhơm từ đất
sét, có hoạt tính cao, sử dụng làm phụ gia rất tốt.
- Phụ gia thủy đất sét: Đất sét nung có thể sử dụng làm phụ gia thủy đƣợc,
nhƣng cần chọn loại đất sét có chứa nhiều khống Al2O3.2SiO2.2H2O đƣợc gia cơng
nhiệt ở 600 - 8000C và làm lạnh nhanh.

Theo các cơng trình nghiên cứu thì độ hoạt tính của phụ gia thủy loại đất sét
phụ thuộc nhiều vào nhiệt độ nung và loại đất sét sử dụng làm phụ gia thủy. Độ
hoạt tính của đất sét nung do khoáng metacaolinit ở nhiệt độ (600 – 800)0C và các

13


ôxit riêng biệt dễ dàng tác dụng với vôi và do đó có thể sử dụng làm phụ gia thủy
rất tốt.
- Tro, xỉ nhiên liệu rắn: Tro xỉ nhiên liệu rắn có thể sử dụng làm phụ gia thủy
đƣợc, vì thành phần hóa học của nó gần giống nhƣ thành phần hóa học của đất sét
nung. Muốn sử dụng làm phụ gia thủy thì nhiên liệu phải đốt nóng ở nhiệt độ thấp,
nếu đốt nóng ở nhiệt độ cao thì độ hoạt tính của nó giảm.
1.2.2. Phụ gia điều chỉnh
Để điều chỉnh tốc độ đóng rắn của xi măng ngƣời ta thƣờng dùng thạch cao
hai nƣớc (CaSO4.2H2O) hoặc một số muối nhƣ CaCl2, NaCl... Sử dụng phụ gia điều
chỉnh pha vào xi măng là cần thiết vì bản thân clinker khi nghiền mịn đóng rắn rất
nhanh khi tác dụng với nƣớc, không kịp xây trát khi thi công. Các loại phụ gia điều
chỉnh trên khi pha vào xi măng với một tỷ lệ thích hợp sẽ có tác dụng kéo dài thời
gian đóng rắn của xi măng đảm bảo yêu cầu thực tế trong xây dựng.
1.2.3. Phụ gia lƣời
Còn gọi là phụ gia đầy, có thể sử dụng nhƣ các loại đá vơi nghiền mịn, cát...
Mục đích pha vào xi măng nhằm làm tăng sản lƣợng, hạ giá thành sản phẩm. Khi
pha phụ gia lƣời vào các loại xi măng chú ý tỷ lệ để đảm bảo chất lƣợng sản phẩm.
1.2.4. Phụ gia bảo quản
Xi măng khi bảo quản trong kho thƣờng bị giảm chất lƣợng vì các hạt xi
măng dễ hút ẩm và khí CO2 trong khơng khí, do đó các hạt xi măng bị hyđrat hóa và
cacbonat hóa trƣớc khi sử dụng. Để khắc phục hiện tƣợng nêu trên khi nghiền
clinker ngƣời ta có pha vào các loại phụ gia bảo quản nhƣ dầu lạc... các loại phụ gia
này tạo một lớp màng mỏng ngoài hạt xi măng, làm cho xi măng có khả năng chống

ẩm tốt.
1.3 Quá trình hóa ý xả ra khi xi măng đóng rắn. [2],[3].
1.3.1. Q trình lý học khi đóng rắn xi măng.
Nghiên cứu về q trình lý học khi xi măng đóng rắn có nhiều tác giả đã đƣa
ra nhiều thuyết khác nhau trong đó có ba quan điểm chính sau đây:
14


 Thuyết Le Chatelier (1882)
Theo Le Chatelier: Các khoáng của các chất kết dính nói chung và xi măng
Portland nói riêng khi tác dụng với nƣớc, các khoáng sẽ khuếch tán vào nƣớc, tiến
hành phản ứng thủy hóa và thủy phân tạo thành các hydrat. Theo thời gian các
hydrat dần dần hòa tan vào dung dịch, cho đến khi đạt trạng thái quá bão hòa. Từ
dung dịch quá bão hòa, các hydrat kết tinh thành tinh thể dạng hình kim, có mạng
lƣới cấu trúc hỗn độn. Các tinh thể liên kết lại với nhau tạo tinh thể đóng rắn có
cƣờng độ.
 Thuyết Michaelis (1892)
Các khoáng của xi măng Portland khi tác dụng với nƣớc, sẽ khuếch tán vào
nƣớc, tiến hành phản ứng thủy hóa và thủy phân, tạo thành các khối keo hydrat.
Theo thời gian các khối keo hydrat dần dần tách nƣớc, kèm theo hiện tƣợng co thể
tích. Chính hiện tƣợng co thể tích làm các khối keo hydrat liên kết lại với nhau, tạo
sản phẩm đóng rắn có cƣờng độ.
 Thuyết Baikov (1923)
Các khoáng của xi măng Portland khi tác dụng với nƣớc, sẽ khuếch tán vào
nƣớc, tiến hành thủy hóa và thủy phân tạo thành các hydrat. Các hydrat dần dần
tách ra khỏi dung dịch quá bão hịa ở trạng thái gel vơ định hình. Theo thời gian các
gel vơ định hình dần dần kết tinh thành dạng tinh thể. Các tinh thể liên kết lại với
nhau, tạo cho sản phẩm đóng rắn có cƣờng độ.
Thuyết Baikov là sự tổng hợp thuyết Le Chaterlier và thuyết Michaelis. Nó
chứng minh gần đầy đủ bản chất q trình đóng rắn của các chất kết dính nói chung.

Có thể tóm tắt q trình lý học khi xi măng đóng rắn gồm hai quá trình, bốn
giai đoạn ở bảng 1.3.
Bảng 1.3. Tóm tắt q trình lý học khi xi măng đóng rắn
Hydrat (sol)

Gel

Keo tụ

K t tinh

Vữa linh động

Bắt đầu ninh kết

Kết thúc ninh kết

Đóng rắn

Q trình ninh kết

Q trình đóng rắn

15


Hiện nay ngƣời ta thƣờng sử dụng thuyết Baikov cho mọi chất kết dính.
Theo thuyết này gồm 3 giai đoạn [6]:
- Giai đoạn 1: Giai đoạn hòa tan
- Giai đoạn 2: Giai đoạn hóa keo

- Giai đoạn 3: Giai đoạn rắn chắc
 Giai đoạn hòa tan
Khi nhào trộn xi măng với nƣớc, giữa chúng sẽ xảy ra các tác dụng hóa học
và hóa lý. Cùng với sự phân bố nƣớc trên bề mặt hạt xi măng, q trình hịa tan các
khống và sự thủy hóa bắt đầu. Trƣớc hết, các khống nhƣ C3A, C3S sau đó là C2S
và do độ hòa tan của chúng bé, sự bão hòa pha lỏng bởi các sản phẩm thuỷ hóa bắt
đầu. Giai đoạn hồ tan kết thúc, giai đoạn này tƣơng đối ngắn.
 Giai đoạn hóa keo
Thời kỳ này tƣơng đối dài và là thời kỳ tiến triển mạnh mẽ, đặc biệt là ở
nhiệt độ cao. Trong giai đoạn này, các hợp chất đƣợc tạo thành do sự kết hợp trực
tiếp của nƣớc với pha rắn của chất kết dính có độ phân tán mịn và gần với thể keo,
đồng thời q trình đơng kết của hệ xảy ra. Khuynh hƣớng hóa keo đƣợc giải thích
theo các cách khác nhau.
Theo quan điểm hiện nay, gel của thể keo là hỗn hợp chủ yếu của các
hydrosilicatcalci nhóm CaO.SiO2.H2O (CSH) và một lƣợng aluminatcalci có độ
phân tán cao với tỉ diện đạt khoảng 200 - 400 m2/g. Các tinh thể gel có cấu trúc
dạng lớp, có khả năng cho và nhận nƣớc gây nên sự trƣơng nở thể tích hay co ngót
thể tích. Hydrosilicatcalci có dạng hình kim hay hình sợi… phụ thuộc vào thành
phần của chất mới tạo thành và điều kiện xuất hiện của chúng. Khi phản ứng giữa xi
măng và nƣớc xảy ra trong nƣớc thì các hydrosilicatcalci có dạng tấm mỏng, nhƣng
nếu phản ứng xảy ra trong pha rắn (nƣớc kết hợp trực tiếp với các khống của
clinker) thì các hydrosilicatcalci có dạng hình kim.
Cơ chế tạo thành hợp chất xi măng hóa phụ thuộc vào tính chất của chất kết
dính và điều kiện phản ứng. Phản ứng của xi măng với nƣớc càng lớn khi các
khống xi măng có khả năng phản ứng càng lớn, bề mặt bên trong và bên ngoài các

16