Tải bản đầy đủ - 0 (trang)
Phương pháp nghiên cứu.

Phương pháp nghiên cứu.

Tải bản đầy đủ - 0trang

Chương 1. TỔNG QUAN

1.1.



Tổng quan về clanhker và xi măng



1.1.1.



Các khái niệm về xi măng pooclăng.

Xi măng là chất kết dính thủy lực ở dạng bột mịn, khi trộn với nước thành dạng



hồ dẻo, có khả năng đóng rắn trong khơng khí và trong nước nhờ phản ứng hóa lý,

thành vật liệu dạngđá [1].

Tuỳ theo đặc tính và ứng dụng, xi măng được phân loại thành nhiều loại khác

nhau trong đó xi măng pooclăng (PC) và các loại xi măng trên cơ sở clanhker xi măng

pooclăng (clanhker) được sử dụng phổ biến nhất trong xây dựng do các nguyên liệu

dùng để sản xuất chúng khá phổ biến trên vỏ trái đất.

Clanhker xi măng pooclăng, sau đây gọi vắn tắt là clanhker, là bán thành phẩm

có chứa các pha (khống) có tính chất kết dính thủy lực như tricanxi silicat

(3CaO.SiO2), dicanxisilicat (2CaO.SiO2), tricanxi aluminat (3CaO.Al2O3) và tetracanxi

fero aluminat (4CaO.Al2O3.Fe2O3) với tỷ lệ xác định, nhận được bằng cách nung đến

kết khối hay nóng chảy hỗn hợp các nguyên liệu xác định (còn gọi là phối liệu) [1].

Trong clanhker, các khống tricanxi silicat, dicanxisilicat, tricanxi aluminat và

tetracanxi fero aluminat thường không tồn tại ở dạng tinh khiết mà tồn tại ở dạng dung

dịch rắn. Chúng thường được ký hiệu lần lượt là C3S, C2S, C3A và C4AF. Trong đó các

khống C3S và C2S còn được gọi là alit và belit. Bảng 1 trình bày thành phần khống

thơng thường củaclanhker nói chung và thành phần khống trung bình của clanhker

hiện đang sản xuất tại Nhà máy xi măng FiCO, sau đây gọi vắn tắt là clanhker FiCO.



4



Bảng 1-Thành phần khoáng học phổ biến của clanhker xi măng Pooc lăng

Loại clanhker



C3S (%)



C2S (%)



C3A (%)



C4AF (%)



Pha lỏng (%)*



Thơng thường



58-62



13-17



7-9



10-12



25-27



FiCO



61,40



13,10



8,10



11,58



26,00



* Được tính trên cơ sở thành phần hố của phối liệu theo cơng thức lý thuyết tại nhiệt

độ 1400ºC (xem Mục 2.3.6)

1.1.2.



Thành phần hóa học của clanhker xi măng pooc lăng:

Các oxit chính trong clanhker bao gồmoxit canxi (CaO) chiếm khoảng 62-68%,



oxit silic (SiO2) chiếm khoảng 21 - 24 %, oxit nhôm (Al2O3) chiếm khoảng 4 - 8%, oxit

sắt (Fe2O3) chiếm khoảng 2 - 5%, oxit magiê (MgO) chiếm khoảng 3-5%, oxit kiềm

như oxit natri (Na2O) và oxit kali (K2O) chiếm khoảng 0,1-0,5%, và còn một số oxit

khác chiếm khối lượng không đáng kể. [2]

Oxit canxi (CaO) chiếm khoảng 62-68% khối lượng clanhker, và tham gia tạo

tất cả các khống chính của clanhker. Clanhker có hàm lượng CaO và nếu phản ứng tạo

khống C3S tốt thì xi măng thường đóng rắn nhanh, mác cao, nhưng kém bền trong môi

trường xâm thực. Nếu CaO tồn tại ở dạng oxit tự do trong clanhker thì sẽ ảnh hưởng

xấu đến chất lượng xi măng. [2]

CaO tự do (CaOtd) được tạo thành do nó khơng phản ứng hết với các oxyt khác

trong quá trình nung, hoặc do C3S và /hoặc C3A bị phân huỷ khi làm lạnh. Hàm lượng

CaOtd trong clanhker thường từ 0-1%. CaOtdphản ứng chậm với nước tạo thành

Ca(OH)2 và làm tăng thể tích, cho nên nếu hàm lượng CaOtd cao, thì sẽ gây giãn nở thể

tích trong lòng khối xi măng đã đóng rắn, dẫn đến nứt và phá hủy cấu trúc đá xi măng.

[3]



5



Oxit silic (SiO2) chiếm khoảng 21 – 24% khối lượng clanhker, tham gia tạo các

khống khó nóng chảy của clanhker như C3S và C2S. Xi măng có hàm lượng SiO2 cao

thường đóng rắn chậm, mác cao, và kém bền trong môi trường xâm thực.[2]

Oxit nhôm (Al2O3) chiếm khoảng 4 – 8% khối lượng clanhker, tham gia tạo các

khống dễ nóng chảy của clanhker xi măng như C3A và C4AF. Xi măng có hàm lượng

Al2O3 cao thường đóng rắn nhanh, tỏa nhiều nhiệt, kém bền trong môi trường xâm

thực, và độ nhớt pha lỏng nóng chảy khi nung clanhker cao.[2]

Oxit sắt III (Fe2O3) chiếm khoảng 2 – 5% khối lượng clanhker, tham gia chủ yếu

tạo khống nóng chảy C4AF. Xi măng có hàm lượng Fe2O3 cao thường có mác thấp, độ

bền trong mơi trường xâm thực cao, và độ nhớt pha lỏng nóng chảy khi nung clanhker

thấp, nhờ đó có thể giảm nhiệt độ nung clanhker[2]

Oxit magiê (MgO) là thành phần không mong muốn, nhưng luôn lẫn trong

nguyên liệu (đá vôi, đất sét, xỉ…), chiếm khoảng 0- 5% khối lượng clanhker.Trong

clanhker, do Mg dễ thay thế đồng hình Ca2+và cả Fe2+ , Fe3+ , Al3+ nên trong các khống

chính của clanhker đều có lượng Mg2+nhấtđịnh (trong C3S có thể từ 2-2,5%, trong C2S

từ 0,5-0,7%, trong C3A tới 2,5% và trong C4AF tới 5,7%). Các hợp chất hóa học của

MgO thường ở dạng các hợp chất trung gian từ CaO.MgO.SiO2 tới 2CaO.MgO.SiO2.

Một phần đáng kể MgO nằm trong pha thủy tinh (tới 5% thành phần pha thủy tinh).[2]

Magiê oxit tự do sẽ kết tinh thành khống periclase. Tốc độ làm lạnh của

clanhker có thể ảnh hưởng rất lớn đến sự tạo thành và kích thước của tinh thể periclase.

Periclase hydrat hóa rất chậm (chậm hơn cả CaOtd), cho nên nếu tồn tại trong clanhker

với hàm lượng lớn thì sau khi xi măng đóng rắn sẽ gây giãn nở thể tích, dẫn đến phá

hủy cấu trúc đá xi măng. Nếu có thể hạn chế MgO tự do trong clanhker, thì có thể nâng

được hàm lượng MgO lên đến 20%. Đây gọi là xi măng giàu MgO. [3]

Oxit natri và oxit kali (Na2O và K2O) chiếm khoảng 0,1-0,5% khối

lượngclanhker, có trong clanhker chủ yếu từ đất sét, tro than… Khi nung luyện, một

phần kiềm bay hơi, góp phần làm tăng quá trình phân hủy CaCO3, giúp tạo pha lỏng

6



nhiều hơn nhưng làm chậm quá trình tạo C3S và tạo vòng cola trong lò nung. Chúng là

oxit có hại trong clanhker, gây biến đổi thể tích khơng đều, dễ nứt vỡ cấu kiện.

Oxit lưu huỳnh (SO3) chiếm hàm lượng từ 0 đến 1% khối lượng clanhker, có thể

tác dụng oxit kiềmtạo ra muối sulphat, dễ gây dính bết. [2]

Oxit Mangan (Mn2O3) chiếm hàm lượng từ 0 đến 0,1% khối lượng clanhker, có

thể thay thế Si và Ca trong C3S, cho màu đen nâu đến xanh.[2]

Oxit photphoric (P2O5) chiếm hàm lượng từ 0 đến 0,25% khối lượng clanhker,

có thể dùng làm phụ gia khống hóa trong clanhker. P2O5 giảm nhiệt độ hoạt hóa q

trình phân hủy các khống tự nhiên, tham gia vào phản ứng phân hủy C3S thành C2S và

vôi tự do, và giảm tác động của kiềm.[2]

Titan oxit (TiO2) chiếm hàm lượng từ 0 đến 0,1% khối lượng clanhker, tham gia

phản ứng phân hủy C3S thành C2S, giảm nhiệt độ nóng chảy nhờ đó có thể giảm nhiệt

độ nung clanhker, cho màu nâu đen.[2]

Bari oxit (BaO) chiếm hàm lượng từ 0 đến 0,1% khối lượng clanhker, có thể

thay thế Ca trong tất cả các pha clanhker trừ ferit. Sự có mặt của BaO làm giảm nhiệt

độ nóng chảy, nhờ đó có thể giảm nhiệt độ nung clanhker[2]

Trong kỹ thuật xi măng, các oxit chính thường được ký hiệu bằng chữ cái đầu

tiên. Cụ thể là C = CaO, S = SiO2, A = Al2O3, F = Fe2O3, M = MgO, N = Na2O, K =

K2O, CaO tự do = Ctd và = SO3.

1.1.3.



Thành phần khoáng của clanhker xi măng Portland

Khống alit có cơng thức hố học là 3CaO.SiO2 hay thường được viết tắt là C3S,



là một trong bốn khống chính của clanhker, quyết định cường độ clanhker. Khoáng

này phản ứng nhanh với nước, tỏa nhiều nhiệt, tạo thành các tinh thể hình sợi

torbermorit (CSH) đan xen vào nhau tạo đá xi măng có cường độ cao, và phát triển

cường độ nhanh. Đây là một khoáng quan trọng nhất của clanhker.



7



Trong clanhker, khống alit tinh khiết có 6 dạng thù hình. Ba dạng cấu trúc 3

phương, ký hiệu là TI TII TIII, hai dạng cấu trúc một phương MI MII, và một dạng cấu

trúc mặt thoi ký hiệu là R. Khoảng biến đổi thù hình như trong hình 1. Khoáng alit

thường tồn tại hai dạng bền ở nhiệt độ cao khoảng 1000ºC, do quá trình làm nguội

nhanh từ nhiệt độ cao xuống nhiệt độ thấp, nếu quá trình làm nguội chậm C3S chuyển

sang C2S và tạo ra vôi tự do ở khoảng nhiệt độ 675-735ºC được vẽ chi tiết trong hình 1.

Hai dạng thù hình này có cấu trúc tinh thể rất giống nhau, gọi chung là C3S, là khống

chính tạo cường độ cho xi măng Portland.



Nhiệt độ (ºC)

Hình 1–Các dạng biến đổi thù hình của alit

Belit (C2S) có cơng thức là 2CaO.SiO2, trong clanhker xi măng chủ yếu dạng

thù hình βC2S, có cấu trúc dạng tròn, phân bố xung quanh hạt alit. Khi tác dụng với

nước, khoáng belit thủy hóa chậm, tỏa nhiệt ít, cũng tạo thành các tinh thể hình sợi

Torbermorit (CSH) đan xen vào nhau và cho sản phẩm có độ đóng rắn chậm, phải đến

1 năm sau mới bằng alit.

Belit có 5 dạng thù hình, chi tiết như hình 2, dạng thù hình chiếm chủ yếu trong

clanhker xi măng Portland là β C2S, có tính kết dính, ít tỏa nhiệt khi đóng rắn, phát



8



triển cường độ chậm ở giai đoạn đầu. Ngồi ra còn có dạng thù hình γC2S là dạng thù

hình khơng mong muốn, khơng có cường độ, thường gặp phải khi clanhker làm nguội

chậm như hình 2, khi quá trình làm nguội chậm qua khoảng nhiệt độ 675-735ºC.



Hình 2 - Các dạng thù hình của khống belit

Celit (C4AF) có cơng thức là 4CaO.Al2O3.Fe2O3, là khống cho phản ứng tỏa ít

nhiệt và cho sản phẩm ứng với độ đông rắn thấp, bền với mơi trường sulphat.

Canxi aluminat (C3A) có cơng thức là 3CaO.Al2O3, là chất trung gian màu trắng,

nằm xen giữa alit, belit và celit. Khoáng này phản ứng nhanh với nước tỏa nhiều

nhiệt,cho sản phẩm phản ứng ban đầu đông rắn nhanh nhưng sau đó lại chậm và kém

alit.

Ngồi ra, tùy thuộc vào chế độ nung luyện, trong thành phần khoáng của

clanhkerPooc lăng có thể có một ít các khống ở dạng không ổn định như: C2A, CA,

CA2, C2F và CF, canxi tự do, magiê tự do.



9



Canxi tự do và magiê tự do bị thủy phân tạo thành Ca(OH)2(portlandite) và

Mg(OH)2 (bruxit). Khi tác dụng với nước, phảnứng chậm kèm theo sự tăng thể tích, là

ngun nhân khơng ổn định thể tích của đá xi măng trong thời gian đóng rắn về sau

(khoảng sau 10 năm).



1.2.



Xi măng pooc lăng có thành phần magiê oxit cao:



1.2.1.



Khái niệm:

Clanhker xi măng pooc lăng cao MgO là xi măng pooc lăng có hàm lượng MgO



lớn hơn tiêu chuẩn cho phép. Đối với tiêu chuẩn Việt Nam và một số nước Châu Âu

qui định hàm lượng MgO không vượt quá 5%, còn ở Mỹ, Ấn Độ quy định hàm lượng

MgO khơng vượt q 6% [4]

1.2.2.



Tính chất

Các hàm lượng MgO khác nhau có ảnh hưởng khác nhau đến thành phần và tính



chất clanhker xi măng. Khi hàm lượng MgO từ 2-3% có những tác động có lợi đến q

trình tạo khoáng clanhker. Tuy nhiên khi hàm lượng MgO cao, có thể làm giảm khả

năng nung phối liệu, và tăng hàm lượng vôi tự do, làm giảm cường độ xi măng. Hơn

nữa, khi hàm lượng MgO cao, độ giãn nở thể tích của xi măng lớn, gây nứt vỡ cấu

kiện, phá hủy cơng trình.

Trong nghiên cứu của [5] ZangJ và các đồng nghiệp về tính chất clanhker, thành

phần khống clanhker khi hàm lượng MgO khác nhau từ 0%, 1%, 3%, 5%, 7%, 9% có

những kết luận như sau: khi hàm lượng MgO tăng, thành phần khoáng alite và belite

giảm, trong khi đó hàm lượng khống aluminate và khống ferrite có xu hướng tăng rõ

rệt từ mẫu có hàm lượng MgO từ 5% đến 7%, và hàm lượng khoáng aluminate và

khoáng ferrite có xu hướng giảm nhẹ khi hàm lượng MgO từ 7% đến 9%. Khi MgO

trong phối liệu là 3% thì chưa thấy MgO tự do trong clanhker, nhưng khi MgO trong

phối liệu tăng đến 5% thì MgO tự do trong clanhker là 1,83%, từ đó cứ tăng 2% MgO

trong phối liệu thì làm tăng khoảng 2% MgO tự do trong clanhker.

10



Xi măng có độ giãn nở thể tích lớn tỷ lệ thuận với hàm lượng MgO có trong xi

măng. Và bê tơng xi măng có hàm lượng MgO cao thì rất nguy hiểm, vì sự giãn nở thể

tích có thể kéo dài sau 3 năm, tồn tại cả khi trong bê tơng đã đóng rắn. Bate và các

đồng nghiệp đưa ra kết luận về quá trình nghiên cứu clanhker xi măng MgO cao [6]

cho rằng, khi hàm lượng MgO trong clanhker từ 7% đến 14%, thấy hiện tượng co bê

tông xi măng giai đoạn từ 1 tháng đến 6 tháng, sau đó là hiện tượng giãn nở thể tích

(thời gian khảo sát là 3 năm).

Một số tính chất khác như là nước tiêu chuẩn, thời gian ninh kết, khối lượng riêng

xi măng magie cao được thống kê chi tiết trong quyển sách của tác giả Bates và các

đồng nghiệp năm 1918. [6]

Nước tiêu chuẩn xi măng với hàm lượng MgO khác nhau từ 1,77% đến 7,41%

không dao động lớn, khoảng 19 – 29%, nhưng đến khi MgO trong xi măng lớn hơn

10%, lượng nước tiêu chuẩn của xi măng biến động khá lớn từ 18 -31%.

Thời gian ninh kết xi măng pooc lăng có hàm lượng MgO cao, từ 6% trở lên,

thời gian bắt đầu và kết thúc ninh kết ngắn hơn so với xi măng pooc lăng có hàm lượng

MgO thấp. [6]

Khối lượng riêng xi măng pooc lăng có hàm lượng MgO cao khơng dao động

lớn, khoảng 3,200 –3,259, khi hàm lượng MgO từ 4,20 – 14,07%. [6]

Trong thời gian khảo sát là 10 năm, nhóm tác giả kết luận rằng cường độ xi

măng có hàm lượng magie oxit lớn, khoảng lớn hơn 6% có dấu hiệu suy giảm cường

độ từ 6 tháng tuổi trở về sau. Trong khi đó, đối với xi măng pooc lăng thường, hàm

lượng magie nhỏ hơn 5%, thì cường độ xi măng vẫn tiếp tục tăng, sau 1 năm, 3 năm, 510 năm với điều kiện mơi trường bình thường.

1.2.3.



Tác hại của MgO trong lịch sử:

Vào năm 1884, một số cầu ở Pháp được xây dựng bằng xi măng có chứa 16-



30% MgO bị hư hỏng do sự giãn nở quá mức của bê tơng do q trình hydrat periclase

11



bên trong [4]. Trong khi đó, cơng trình City Hall của Kassel, Đức được xây dựng bằng

xi măng có chứa đến 27% MgO đã bị phá hủy. Từ đó, có những bài học ban đầu liên

quan về tác hại của periclase đến sự ổn định thể tích vật liệu xi măng.

Trong những năm 1970, các đập bê tông Bạch Sơn ở tỉnh Liêu Ninh, Trung

Quốc được xây dựng với một xi măng có chứa khoảng 5% periclase[4], mà đáng ngạc

nhiên khơng có vết nứt ở móng bê tơng của nó mặc dù khơng có sử dụng biện pháp

kiểm soát nhiệt độ và hơn 60% của các nền móng bê tơng được đúc trong mùa hè với

mức chênh lệch nhiệt độ tối đa lên tới 40°C. Điều này mở ra hướng nghiên cứu mới

cho xi măng periclase.

Thêm vào đó, từ những năm 1970 Trung Quốc đã nghiên cứu khía cạnh nung

luyện clanhker có chứa MgO cao, với các điều kiện được xác định trước như nhiệt độ

và thời gian lưu [4], nhưng các nghiên cứu này chỉ dừng lại ở phòng thí nghiệm hơn là

áp dụng thực tế.



1.3.



Các yếu tố ảnh hưởng đến độ ổn định thể tích của xi măng:

Trong suốt q trình đóng rắn, thể tích của đá xi măng ln thay đổi. Nếu sự



thay đổi này quá lớn hoặc quá nhanh sẽ gây ra rạn nứt cơng trình. Sự khơng ổn định thể

tích của xi măng là do oxit CaO và oxit MgO gây nên.

1.3.1.



CaO tự do:

Không tham gia vào phản ứng tạo clanhker mà nằm ở dạng oxit canxi do bị các



chất nóng chảy bao bọc xung quanh nên bị thủy hóa chậm,q trình thủy hóa, thể tích

tăng, làm rạn nứt đá xi măng. Khi tốc độ thủy hóa xảy ra chậm, các sản phẩm gel C-SH, aluminat, hình thành khi cơng trình ổn định gây ra sự mất ổn định thể tích. Do vậy

bất kì loại xi măng thành phẩm nào trên thị trường cũng phải có hàm lượng oxit

canxitự do nằm trong giới hạn cho phép.

1.3.2.



MgO tự do:



12



Không tham gia vào quá trình tạo clanhker mà sau khi xi măng đóng rắn nó mới

bị thủy hóa tạo Mg(OH)2,thể tích có thể tăng lên khoảng 118% làm đá xi măng bị nứt

vỡ. Sự nở thể tích diễn ra khi bê tơng đãđóng rắn, thậm chí phần khơng có periclase đã

co ngót, nên gây ứng suất nội và phá huỷ cơng trình nguy hiểm hơn vơi tự do. [7]



Hình 3– Sự hydrat hóa của periclase trong bê tơng đã đóng rắn

Kasselouris và các đồng tác giả [4] trong báo cáo của mình đã chỉ ra rằng q

trình thủy hóa periclase trong xi măng đạt 73,4% tại 6 năm tuổi với môi trường bảo

dưỡng là trong nước ở 18°C, và sau đó tăng rất chậm khi tăng độ tuổi. Nghiên cứu của

X.Li et al, như trong hình 4 [8] chỉ ra rằng tổng hàm lượng MgO trong clanhker xi

măng tỷ lệ thuận với hàm lượng MgO tự do. Khi tổng hàm lượng MgO là 2%, hàm

lượng periclase khoảng 0 đến dưới 1%. Khi tổng hàm lượng MgO là 6%, hàm lượng

periclase khoảng 4 đến dưới 5%.

% MgO tự do



% MgO



13



Hình 4 – Quan hệ giữa hàm lượng MgO và hàm lượng MgO tự do trong clanhker

Hình 5, mơ tả mối quan hệ giữa hàm lượng vôi tự do và hàm lượng magie oxit

trong clanhker. Ta thấy rõ xu hướng của vôi tự do trong clanhker khi hàm lượng MgO

trong clanhker tăng,vôitự do giảm từ 0,72% còn 0,47% khi MgO tăng từ 0% đến 5%.

Trong nghiên cứu, Zang, 2015, [5] đã chỉ ra rằng hàm lượng MgO thích hợp làm giảm

độ nhớt của chất lỏng, hỗ trợ tạo khoáng alit,... nhưng khi hàm lượng MgO lớn sẽ là có

hại.

Khi hàm lượng MgO trong clanhker nhỏ hơn 5%, MgO thể hiện vai trò như một

chất khống hóa, cải thiện khả năng nung của ngun liệu, thúc đẩy sự hình thành của

C3S, và ổn định thù hình M3-C3S và R-C3S, làm giảm tỷ lệ C3A/C4AF, và làm tăng hàm

lượng khoáng alit, β-C2S, hỗ trợ sự hình thành các tinh thể C3S nhỏ có kích thước từ 4

đến 20 μm, tăng cường độ nén của xi măng. Ngồi ra, tác giả còn chỉ ra rằng MgO hỗ

trợ việc hình thành C4AF, tuy ít.

Nhưng khi hàm lượng MgO trong clanhker lớn hơn 5%, thì hàm lượng vơi tự do

tăng lên, thì khả năng nung của bột liệu giảm, hàm lượng vôi tự do trong clanhker tăng

từ 0,47% đến 0,77% khi MgO tăng từ 5 đến 9%, như hình 5. Khi MgO trong clanhker

lớn hơn 7%, tỷ lệ C3A/C4AF tăng, và cường độ nén của clanhker giảm rõ rệt.



Vôi

tự

do

(%)



MgO (%)



Hình 5– Quan hệ giữa hàm lượng MgO và CaO tự do trong clanhker



14



Tài liệu bạn tìm kiếm đã sẵn sàng tải về

Phương pháp nghiên cứu.

Tải bản đầy đủ ngay(0 tr)

×