Đang tải... (xem toàn văn)
Quá trình thủy hóa của xi măng. Sự ảnh hưởng của phụ gia khoáng hoạt tính trong quá trình thủy hóa của xi măng và một số loại phụ gia khoáng hoạt tính phổ biến ở Viêt Nam.
TRƯỜNG ĐẠI HỌC MỎ ĐỊA CHẤT KHOA XÂY DỰNG BÁO CÁO TỔNG KẾT ĐỀ TÀI TÍNH CHẤT VÀ VAI TRÒ CỦA PHỤ GIA KHOÁNG HOẠT TÍNH TRONG QUÁ TRÌNH THỦY HÓA XI MĂNG Hà Nội, tháng 4 năm 2014 Báo cáo Đề tài NCKH Sinh viên Danh Mục Bảng Biểu Bảng 2.1 Thành phần hóa học của tro bay Bảng 2.2 Hàm lượng khoáng chất của tro bay Bảng 2.3 Tính chất vật lý của xỉ lò cao Bảng 2.4 Diện tích hình học và bề mặt cuả xỉ lò cao Bảng 2.5 Thành phần hóa học của xỉ lò cao Bảng 2.6 Tính chất vật lý đặc trưng của muội silic Bảng 2.7 Thành phần hóa học của muội silic Bảng 2.8 Tính chất vật lý của mêtacaolanh Bảng 2.9 Thành phần hóa học của mêtacaolanh Bảng 2.10 Thành phần hóa học của Clanhke xi măng Bảng 3.1 Thành phần khoáng của Clanhke – xi măng Bảng 3.2 Sự tiến hóa nhiệt khi có mặt của mêtacaolanh Bảng 3.3 Mức độ phản ứng puzzolan của hỗn hợp xi măng + mêtacaolanh Báo cáo Đề tài NCKH Sinh viên DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT ACI-SP : American Concrete Institute ASTM : American Society for Testing and Materials FA : Fly-Ash ( tro bay) GGBFS : Ground Granulated Blast Furnace Slag ( xỉ lò cao) MK : Metakaolin RHA : Rice Husk Ash (tro trấu) RCC : Roller-Compacted Concrete ( bê tông đầm lăn) SEM : Search Engine Marketing (Marketing trên công cụ tìm kiếm) SF : Silicafume( Muội silic) VLXD: Vật liệu xây dựng Báo cáo Đề tài NCKH Sinh viên Danh Mục Hình Vẽ, Sơ Đồ Hình 1.1 Nhà máy điện đốt than Hình 1.2 Tro bay Hình 1.3 Xỉ Lò Cao Hình 1.4 Sơ đồ sản xuất muội silic Hình 1.5 Muội silic Hình 1.6 Mêtacaolanh Hình 2.1 ảnh chụp SEM của tro bay x5000 Hình 2.2 Ảnh chụp SEM của các mẫu xỉ lò cao Hình 2.3 Muội Silic (Silicafume) Hình 2.4 Hình ảnh của mêtacaolanh Hình 2.5 SEM của mêtacaolanh Hình 3.1 Clanhke xi măng Hình 3.2 Quá trình thủy hóa xi và sự phát triển cấu trúc hồ xi măng. [2] Hình 3.3 – là sơ đồ phân tích nhiễu xạ tia X của hỗn hợp có chứa 40% xỉ lò cao với diện tích bề mặt riêng là (425 m 2 /kg) Hình 3.4 là một sơ đồ RXD có chứa xỉ lò cao thay thế đến 40% xi măng Portland với diện tích bề mặt riêng là 600 m 2 /kg. lượng Hình 3.5 Nhiệt thủy hóa của hỗn hợp xi măng khi có mặt muội silic (Silicafume) Hình 3.6. Sự phát triển của Ca(OH) 2 theo thời gian Hình 4.1 Máy móc sản xuất xi măng Hình 4.1 Nguyên liệu sản xuất xi măng 1 MỞ ĐẦU Trong lĩnh vực xây dựng, thì vật liệu là sản phẩm không thể thiếu được trong mọi công trình. Những vật liệu mới có đồng thời nhiều tính năng kĩ thuật luôn được quan tâm hàng đầu. Các giải pháp về cải thiện cường độ, tính công tác của bê tông, xi măng gần như đã phủ kín từ mỗi công đoạn cho tới quá trình sản xuất, sử dụng xi măng Portland Một giải pháp có tính khả thi cao, được nhiều người quan tâm nghiên cứu là tác động vào công đoạn sau khi đã có clanhke. Giải pháp này thường sử dụng các loại phụ gia để tác động vào quá trình Hydrat hóa và đóng rắn của xi măng. Một trong các loại phụ gia được dử dụng phổ biến là phụ gia khoáng hoạt tính mà phổ biến như xỉ lò cao, tro bay…Các loại phụ gia này thường chứa SiO 2 hoạt tính. Chính thành phần SiO 2 hoạt tính này sẽ tham gia vào quá trình Hydrat hóa và đóng rắn tạo ra các sản phẩm cải thiện cường độ và tính công tác của hỗn hợp xi măng. Đây là các loại phụ gia có hoạt tính Puzzolan hay hoạt tính thủy lực. Báo cáo tổng kết đề tài “Nghiên cứu tính chất và vai trò của phụ gia khoáng hoạt tính trong quá trình thủy hóa của xi măng” được thực hiện bởi nhóm sinh viên khoa xây dựng, trường đại học Mỏ địa chất sẽ trình bày khái quát một số loại phụ gia khoáng hoạt tính và ảnh hưởng của chúng tới quá trình thủy hóa của xi măng. Trong quá trình nghiên cứu còn có nhiều mặt hạn chế và thiếu sót, kính mong nhận được sự góp ý của của các thầy cô và bạn đọc quan tâm đến lĩnh vực phụ gia trong vật liệu xây dựng nói chung để có một kết quả nghiên cứu chính xác hơn. Chúng tôi xin chân thành cảm ơn! 2 Chương 1 TỔNG QUAN VỀ PHỤ GIA VÀ PHÂN LOẠI PHỤ GIA KHOÁNG HOẠT TÍNH Ngành xây dựng ngày càng phát triển, công nghiệp bê tông xi măng ngày càng được tăng cao thì phụ gia trong lĩnh vực bê tông xi măng càng có vị trí hết sức quan trọng trong việc nâng cao chất lượng công trình, tiết kiệm thi công, giảm giá thành… Để hiểu sâu về lĩnh vực phụ gia trong công nghiệp bê tông, trong chương 1 này chúng ta sẽ tìm hiểu những vấn đề chung nhất về phụ gia khoáng, khoáng hoạt tính thông qua khái niệm và một số cách phân loại. 1.1 ĐỊNH NGHĨA 1.1.1 Phụ gia là gì? Theo tiêu chuẩn ASTM125 và ACI SP–19 phụ gia là một chất không phải là nước, chất độn hay xi măng xong lại là thành phần được sử dụng chế tạo bê tông hoặc vữa xây dựng và thêm vào trước hoặc trong khi nhào trộn hỗn hợp vữa và bê tông. 1.1.2 Phụ gia khoáng và phụ gia khoáng hoạt tính. 1.1.2.1 Phụ gia khoáng Phụ gia khoáng là loại phụ gia có bản chất tự nhiên được sử dụng với cấp hạt nhỏ (thường nhỏ hơn cấp hạt của xi măng). Nó có chức năng bịt kín cá lỗ rỗng giữa các hạt mao quản có trong vi cấu trúc của đá bê tông, xi măng. Tuy nhiên nhằm đáp ứng nhu cầu lớn và đòi hỏi ngày càng cao, người ta đã ứng dụng những loại vật liệu có bản chất khoáng mà chủ yếu là phế thải công nghiệp làm phụ gia khoáng. 1.1.2.2 Phụ gia khoáng hoạt tính Phụ gia khoáng hoạt tính ngày trước chỉ đơn thuần là phụ gia puzzolanic có tên xuất phát ban đầu là puzzolana được dùng để chỉ những vật liệu có nguồn gốc tự nhiên như tuff núi lửa, đất nung nghiền mịn, đá bọt… Ngày nay thuật ngữ phụ gia khoáng hoạt tính được dùng để chỉ tất cả những vật liệu chứa SiO 2 hoạt tính và Al 2 O 3 hoạt tính. Những vật liệu này phản ứng được với vôi ở điều kiện thường khi có mặt của nước. Phụ gia này ngoài chức năng bịt kín các lỗ rỗng còn có khả năng phản ứng với pha pooclandit Ca(OH) 2 trong bê tông tạo ra pha kết dính chủ lực là C-S-H. 3 1.1.2.3 So sánh hai loại phụ gia khoáng và phụ gia khoáng hoạt tính Giống nhau : Ban đầu chúng đều có nguồn gốc từ tự nhiên và ngày nay chúng bao gồm cả các phế thải công nghiệp có tính chất khoáng có kích thước hạt nhỏ. Vì thế có khả năng bịt kín các lỗ rỗng có trong vi cấu trúc mao quản của đá bê tông. Khác nhau : - Phụ gia khoáng chứa các hợp chất hoạt tính thấp, ít có tác động đến chất lượng của bê tông. - Phụ gia khoáng hoạt tính chứa các hợp chất có hoạt tính cao, chính các hợp chất này tham gia phản ứng với các cấu tử có trong vữa xi măng. Sản phẩm tạo thành có tính kết dính, và tăng lực cấu kết. 1.2 PHÂN LOẠI PHỤ GIA KHOÁNG HOẠT TÍNH 1.2.1 Phân loại theo nguồn gốc hình thành 1.2.1.1 Phụ gia khoáng có nguồn gốc thiên nhiên Là loại phụ gia đã được sử dụng lâu đời trong công nghiệp xi măng và bê tông. Phụ gia khoáng thiên nhiên bao gồm đá Bazan, tuff núi lửa, trass, diatomit, muội silic…Thành phần chủ yếu của các loại phụ gia này là SiO 2 ngoài gia còn có thêm Al 2 O 3 và Fe 2 O 3 . Độ hoạt tính của loại phụ gia này chủ yếu phụ thuộc vào thành phần của chúng, điều này có nghĩa là phụ thuộc vào nguồn gốc tạo thành của chúng. Mặc dù có độ hoạt tính thấp, nhưng do giá thành rẻ nên được sử dụng rộng rãi làm phụ gia cho xi măng và bê tông. Qua tìm hiểu thì ở nhiều nước người ta sử dụng Trass, đá bọt…thay thế đến 20% trọng lượng xi măng trong vữa và bê tông. Các khoáng có nguồn gốc tự nhiên bao gồm khoáng trầm tích được lắng đọng sau hàng triệu năm có trạng thái vô định hình lên đến 90% điển hình trong nhón này là sét hoạt tính. 1.2.1.2 Phụ gia khoáng có nguồn gốc nhân tạo Ngày nay, phụ gia khoáng thiên nhiên ngày càng cạn kiệt. Bởi vậy, phụ gia khoáng nhân tạo ngày càng được sử dụng rộng rãi. Với sự tiến bộ của khoa học công nghệ, một số phụ gia khoáng nhân tạo có hoạt tính puzzolanic cao đang được sử dụng ngày càng rỗng rãi. Tuy nhiên, trong số đó có một số loại có giá thành cao nên ít được đưa vào sử dụng. 4 Phụ gia khoáng nhân tạo được sử dụng rộng rãi tại nhiều nước trên thế giới là xỉ lò cao(Ground Granulated Blast Furnace Slag), Tro bay(Fly-Ash), đất sét nung nghiền mịn, Muội silic(Silicafume), Mêtacaolanh(Metakaolin). Các phụ gia khoáng nhân tạo là các phế thải công nghiệp như xỉ lò cao, tro bay được sử dụng rỗng rãi nhất. nguyên nhân chủ yếu là có giá thành thấp thì trong đó còn có đóng góp vào việc bảo vệ môi trường. Sự khác nhau về nguồn gốc và điều kiện hình thành của các phụ gia khoáng nhân tạo còn dẫn đến sự khác nhau về hoạt tính puzzolanic. Bởi vậy, hiệu quả của chúng trong xi măng và bê tông sẽ khác nhau. 1.2.2 Phân loại theo tính chất Nhìn chung thì ta có thể phân loại phụ gia khoáng hoạt tính thành bốn loại - Phụ gia có tính chất kết dính. - Phụ gia có tính chất puzzolan. - Phụ gia vừa có tính kết dính, vừa có tính puzzolan. - Phụ gia có các tính chất khác. 1.2.2.1 Phụ gia có tính chất kết dính Phụ gia loại này bao gồm Chất kết dính tự nhiên, vôi thủy lực, xi măng xỉ (hỗn hợp của xỉ lò cao và vôi) và xỉ lò cao nghiền mịn. Xỉ lò cao là một loại thủy tinh canxi giàu Silic và Nhôm tác dụng với vôi và Anion SiO 4 2– được giải phóng do quá trình hydrat hóa của xi măng. Xỉ lò cao được nghiên cứu như là một phụ gia cho bê tông và ngày càng được sử dụng nhiều hơn trong xây dựng. Đây là một ứng dụng được nhiều sự quan tâm vì nó không chỉ giảm chi phí cho xây dựng, tiết kiệm xi măng mà còn góp phần giảm thiểu ô nhiễm môi trường. 1.2.2.2 Phụ gia có tính chất Puzzolan Theo tiêu chuẩn ACI SP – 19 phụ gia puzzolan được định nghĩa là vật liệu chứa SiO 2 hoặc cả SiO 3 và Al 2 O 3 mà bản thân nó ít hoặc không có khả năng kết dính, nhưng sau khi được nghiền mịn thì nó sẽ có khả năng phản ứng hóa học với kiềm ở nhiệt độ thường tạo ra các hợp chất kết dính. Ví dụ về phụ gia loại này như tro bay, tro núi lửa, đất diatomic, đá phiến sét hoặc sét đã qua xử lý. Muội silic là một loại phụ gia khoáng cao hoạt tính. Được sử dụng chủ yếu để cải thiện tính bền vững và cường độ bê tông khi thay thế cho xi măng Portland. Muội silic được sử dụng đầu tiên vào năm 1970 tại Norway, sau đó tại Hoa 5 kỳ, Canada và các nước thuộc bán đảo Scadinavi. Vào những năm đầu của thập kỉ 80 nó đã được sử dụng rộng rãi trên thê giới. Muội silích là sản phẩm thu được từ công nghệ sản xuất Silic dự theo phản ứng : 2SiO 2 + C S + SiO 2 + CO 2 1.2.2.3 Phụ gia vừa có tính chất kết dính vừa có tính chất puzzolan Phụ gia vừa có tính chất kết dính vừa có tính chất puzzolan thì tro bay là đại diện tiêu biểu cho phụ gia có tính chất này. Tro bay có tính chất kết dính giới hạn nhưng khi kết hợp với vôi tôi thì tro bay có vai trò như vật liệu hoạt tính puzzolan. Những phụ gia loại này ngoài hàm lượng SiO 2 , Al 2 O 3 còn chứa một hàm lượng kiềm tương đối cao đặc biết là Ca(OH) 2 1.2.2.4 Phụ gia có tính chất khác Những phụ gia khoáng khác không được gọi là tương đối trơ khi thêm vào hỗn hợp X/N, chúng bao gồm Thạch anh, cát silic, đá vôi, granit và các loại bột đá khác. Một số loại tồn tại trong tự nhiên cần có sự thiêu kết để tạo ra hoạt tính puzzolan hữu dụng của chúng. Những vật liệu này thường được sử dụng ở trạng thái khô trong những ứng dụng mà không có yêu cầu về hoạt tính puzzolan. 1.3 MỘT SỐ LOẠI PHỤ GIA KHOÁNG HOẠT TÍNH PHỔ BIẾN Ở VIỆT NAM 1.3.1 Tro bay (Fly-Ash) Từ thế kỷ trước, các nhà khoa học đã biết sử dụng tro bay của các nhà máy điện đốt than để làm phụ gia cho bê tông. Khoa học kỹ thuật ngày càng phát triển đã khẳng định được “sự kỳ diệu của tro bay” trong công nghệ bê tông, sản xuất xi măng.[10] 6 Tro bay – chất thải chất thải từ nhà máy nhiệt điện Hình 1.1 Nhà máy điện đốt than Tro bay là sản phẩm được tạo ra từ quá trình đốt than của các nhà máy nhiệt điện. Các hạt bụi tro được đưa ra qua các đường ống khói sau đó được thu hồi từ phương pháp kết sương tĩnh điện hoặc bằng phương pháp lốc xoáy. Tro bay là một loại phụ gia khoáng, hoạt tính nhân tạo, là các sản phẩm phụ hoặc phế thải thu được trong các quá trình sản xuất công nghiệp. Hình 1.2 Tro bay Phần lớn trong tro bay chứa chủ yếu là SiO 2 xuất xứ từ việc đốt than chứa bitum được gọi là tro bay loại F, còn tro bay có hàm lượng CaO cao có khi tới 24%, xuất xứ từ việc đốt than linhit hay còn được gọi là tro bay loại C. Hoạt tính của tro bay loại F là tốt, nhưng vấn đề quan trọng là độ mịn và hàm lượng than chưa cháy trong tro bay phải ổn định. Các hạt Cacbon trong tro bay làm cho tro bay khô hơn và thẫm màu hơn. Theo tiêu chuẩn Anh (BS 3892 – Phần 1 – 1993) quy định lượng sót sàng là 45μm không được quá 12%. Trong tro bay loại C một phần SiO 2 và Al 2 O 3 đã kết hợp với vôi, nên không còn nhiều để tác dụng với vôi tách ra khi xi măng thủy hóa. [...]... phần hóa học của mêtacaolanh 19 Chương 3 ẢNH HƯỞNG CỦA PHỤ GIA KHOÁNG HOẠT TÍNH TỚI QUÁ TRÌNH THỦY HÓA XI MĂNG Quá trình thủy hóa của xi măng có bản chất là thủy hóa các thành phần pha trong xi măng, để từ đó hình thành nên cường độ và phát triển cấu trúc của hồ xi măng Sự có mặt của các loại phụ gia khoáng hoạt tính cũng có sức ảnh hưởng khá lớn trong quá trình thủy hóa khi mà chúng cũng tham gia một... một phần trong quá trình thủy hóa Ở chương này sẽ giới thiệu đến sự thủy hóa của hỗn hợp hồ xi măng khi có mặt của một số loại phụ gia điển hình như Tro bay(FA), Xỉ lò cao(GGBFS), Muội Silic(SF), Mêtacaolanh(MK) Để biết được rằng chúng đóng góp những vai trò gì trong quá trình thủy hóa 3.1 CLANHKE XI MĂNG VÀ QUÁ TRÌNH THỦY HÓA CỦA XI MĂNG 3.1.1 Clanhke xi măng 3.1.1.1 Khái niệm Clanhke xi măng (Clinker)... trình co của bê tông Tất cả cá sự co giãn của bê tông đều có độ ảnh hưởng đến độ chịu lực cơ học của nó 27 3.2.4 Ảnh hưởng của một số loại phụ gia khoáng hoạt tính đến quá trình thủy hóa của xi măng Trong hồ xi măng không chứa phụ gia khoáng hoạt tính, Ca(OH)2 sinh ra do quá trình thuỷ hoá xi măng thường kết tinh thành các tinh thể lớn Sự kết tinh này xảy ra ở những nơi chứa nhiều nước như trong các... SiO2 hoạt tính của puzzolan để tạo thành canxi hydroxit silicat có dạng chung là C-S-H theo phản ứng sau đây : Phản ứng thủy hóa của xi măng Xi măng + nước C–S–H(canxi silicat) + CH(canxi hydoxit) + pha khác Phản ứng puzzolan Puzzolan +CH(từ pư thủy hóa xi măng) C–S–H(canxi silicat) + pha khác Ca(OH)2 + nSiO2ht mCaO.SiO2.pH2O Trong hỗn hợp ở nhiệt độ thường, tùy thuộc vào nồng độ canxi oxit trong. .. giảm từ đó cường độ của bê tông được tăng lên Chính các hạt SiO2 siêu mịn có tác dụng bịt kín các lỗ rỗng trong bê tông làm cho bê tông đặc chắc hơn 3.2.3 Sự thay đổi thể tích trong quá trình Hydrat hóa của xi măng Phản ứng thủy hóa của xi măng Xi măng + nước C–S–H(canxi silicat) + CH(canxi hydoxit) + pha khác Phản ứng puzzolan Puzzolan pư th+ CH(từ ủy hóa xi măng) C–S (ca–H nxi silicat) + pha khác... puzzolan vào xi măng (được xi măng puzzolan) sẽ xảy ra sự hydrat hóa các thành phần khoáng của clanhke và sự 25 tương tác hóa của các sản phẩm hydrat hóa với puzzolan Ở giai đoạn đầu chủ yếu là thủy phân các hạt clanhke Kết quả của quá trình là sự hình thành các canxi hydro silicat, canxi hydro aluminat, canxi hydro ferit Do sự thủy phân 3CaO SiO2 và 2CaO.SiO2 nên Ca(OH)2 được tách ra Sự có mặt của puzzolan... ngưng keo Giai đoạn kết tinh nước ở thể ngưng keo vẫn tiếp tục mất đi , các sản phẩm mới ngày càng nhiều Chúng kết tinh lại thành tinh thể rồi chuyển sang thể liên tinh làm cho cả hệ thống hoá cứng và cường độ tăng 3.2 SỰ ẢNH HƯỞNG CỦA MỘT SỐ LOẠI PHỤ GIA KHOÁNG HOẠT TÍNH ĐẾN QUÁ TRÌNH THỦY HÓA XI MĂNG 3.2.1 Khái quát chung về sự ảnh hưởng của phụ gia trong hỗn hợp xi măng – nước Theo nghiên cứu của một... nhiệt thủy hóa của xi măng Trong quá trình thủy hóa xi măng, Ca(OH)2 sinh ra luôn có xu hướng khuếch tán ra bề mặt phân chia pha Như vậy phần tiếp giáp giữa hồ xi măng với các hạt cốt liệu gọi là vùng chuyển tiếp Tại vùng chuyển tiếp có nồng độ Ca(OH)2 cao hơn hẳn so với vùng bên trong hồ xi măng Điều này làm yếu đi lực bám dính giữa xi măng với các hạt cốt liệu Khi nhiệt thủy hóa giảm thì quá trình khuếch... Quá trình thủy hóa của xi măng 3.1.3.1 Quá trình thủy hóa của xi măng [2] Khi nhào trộn xi măng với nước ở giai đoạn đầu, xảy ra quá trình tác dụng nhanh của Alit với nước tạo ra Hiđrosilicat canxi và Canxi Hiđroxit 2(3CaO.SiO2) + 6H2O 3CaO.2SiO2.3H2O + 3Ca(OH)2 Vì Ca(OH)2 được sinh ra từ Alit nên Belit xảy ra phản ứng với nước chậm hơn và tạo ra ít Ca(OH)2 hơn Alit Hyđrosilicat canxi hình thành khi... phản ứng thủy hóa các hạt clanhke nhanh hơn Ngoài ra puzzolan còn kết hợp với Ca(OH)2 tạo thành hợp chất không tan làm giảm nồng độ của nó trong dung dịch nước của xi măng cứng hóa và tăng nhanh sự thủy phân canxi silicat trong clanhke Phản ứng giữa các sản phẩm của clanhke với các thành phần hoạt tính của puzzolan được gọi là quá trình thứ 2 Quá trình đó bao gồm trước hết là sự tương tác của Ca(OH)2 . các loại phụ gia có hoạt tính Puzzolan hay hoạt tính thủy lực. Báo cáo tổng kết đề tài “Nghiên cứu tính chất và vai trò của phụ gia khoáng hoạt tính trong quá trình thủy hóa của xi măng được. Mỏ địa chất sẽ trình bày khái quát một số loại phụ gia khoáng hoạt tính và ảnh hưởng của chúng tới quá trình thủy hóa của xi măng. Trong quá trình nghiên cứu còn có nhiều mặt hạn chế và thiếu. TRƯỜNG ĐẠI HỌC MỎ ĐỊA CHẤT KHOA XÂY DỰNG BÁO CÁO TỔNG KẾT ĐỀ TÀI TÍNH CHẤT VÀ VAI TRÒ CỦA PHỤ GIA KHOÁNG HOẠT TÍNH TRONG QUÁ TRÌNH THỦY HÓA XI MĂNG