Chương 9 VẬT LIỆU VÔ CƠ CERAMIC 9.1 CÁC KHÁI NIỆM CHUNG VỀ VẬT LIỆU VÔ CƠ. 9.1.1 Ðịnh nghĩa và phân loại.  Ðịnh nghĩa. Vật liệu vô cơ được tạo thành từ các hợp chất hóa học của các nguyên tố kim loại kết hợp với các nguyên tố khác khộng phải là kim loại hoặc được tạo thành từ các hợp chất hóa học của các nguyên tố không phải là kim loại kết hợp với nhau. Trong bảng tuần hoàn các nguyên tố hóa học của Menđêêép, có tới 75% các nguyên tố hóa học tham gia cấu tạo nên vật liệu vô cơ. Hình 9.1 trình bày sơ đồ các nguyên tố hóa học chính và những khả năng kết hợp giữa chúng để tạo nên vật liệu vô cơ. Hình 9.1 Sơ đồ biểu diễn các nguyên tố hóa học chính và những khả năng kết hợp giữa chúng để tạo nên vật liệu vô cơ. Theo sơ đồ, một kim loại nào đó có thể kết hợp với bo để tạo nên borít, kết hợp với nitơ để tạo ra nitrít, kết hợp với ô xy để tạo ra ôxýt, kết hợp với silic để tạo ra silixit. Tương tự như trên ta co thế xuất phát từ nguyên tố bo hay nguyên tố silíc v.v. Sự kết hợp trên làm cho vật liệu vô cơ rất phong phú và đa dạng về thành phần hóa học cũng như vê tính chất của chúng. Các dạng hợp chất hóa học thường gặp trong vật liệu vô cơ có thể kể đến đơn kim loại như ôxýt nhôm trong gốm corindông, đơn ôxýt bán kim loại như SiO 2 trong thủy tinh thạch anh, hỗn hợp nhiều ôxýt kim loại như sứ, thủy tinh silicát, các nguyên tố không hải kim loại như bo, các bon, các các bít, nítrít của kim loại và bán kim loại như TiC, SiC, BN, ZrN, v.v. Vật liệu vô cơ là một nhóm vật liệu lớn, giáo trình này chỉ trình bày các vấn đề cơ bản và các đại diện chính mà thôi. 142 C N O Si Me B  Phân loại. Vật liệu vô cơ có thể phân loại theo nhiều các khác nhau tùy theo mục đích của người sử dụng. Người ta có thể phân loại theo thành phần hóa học, phân loại theo cấu trúc, theo phương pháp công nghệ, hay theo lĩnh vực sử dụng v.v. Thông thường người ta phân chia vật liệu vô cơ theo đặc điểm kết hợp và chúng được chia ra làm ba nhóm chính là gốm và vật liệu chịu lửa, thủy tinh và gốm thủy tinh, xi măng và bê tông. Lưu ý rằng ngày nay người ta thường dùng khái niệm vật liệu gốm (ceramic) để chỉ chung các loại vật liệu vô cơ phi kim loại bao gồm cả ba nhóm vật liệu kể trên. 9.2 ÐẶC ÐIỂM CẤU TRÚC CỦA VẬT LIỆU VÔ CƠ. 9.2.1 Liên kết nguyên tử trong vật liệu vô cơ. Ðặc trưng quan trọng nhất về cấu trúc của vật liệu vô cơ là kiểu liên kết giữa các nguyên tử cấu tạo nên chúng. Trong vật liệu vô cơ không có kiều liên jkết kim loại mà là sự kết hợp giữa liên kết ion và liên kết đồng hóa trị. (Xem thêm mục liên kết nguyên tử trong chất rắn trong chương 2 vật liệu tập 1). Do đặc điểm liên kết phức hợp là liên kết ion và liên kết đồng hóa trị mà năng lượng liên kết trong vật liệu vô cơ là tương đối lớn, nằm trong khoảng 100 – 500 KJ.mol -1 , trong khi đó trong vật liệu kim loại là 60 – 250KJ.mol -1 . Ðặc điểm liên kết phức hợp giữa liên kết ion và liên kết đồng hóa trị ảnh hưởng quyết định đến một số tính chất đặc trưng của vật liệu vô cơ là vật liệu vô cơ có nhiệt độ nóng chảy cao, mật độ lớn, cứng, giòn, trong suốt và cách điện tốt. Vật liệu vô cơ có thể tồn tại ở các trạng thái cấu tạo khác nhau là trạng thái tinh thể thí dụ như gốm SiC, các gốm đơn ôxýt, hay trạng thái vô định hình như vật liệu thủy tinh, hoặc vừa tinh thể vừa vô định hình như sứ và gốm thủy tinh. 9.2.2 Trạng thái tinh thể và trạng thái vô định hình. Trong phần này ta sẻ tìm hiểu một số đặc điểm cấu trúc của trạng thái tinh htể và trạng thái vô định hình trongcác vật liệu vô cơ thông dụng. a. Trạng thái tinh thể. Mạng tinh thể của phần lớn các vật liệu vô cơ có thể coi một cách gần đúng là mạng của các ion, trong đó các cation và anion chiếm vị trí các nút mạng. Trong cấu trúc của các hợp chất vô cơ chứa ô xy, các nguyên tử ô xy thường có kích thước lớn nhất nên chiếm nhiều chỗ nhất so với các cation trong không gian mạng tinh thể. Vì thế có thể coi cấu trúc của các ôxýt và các hợp chất chứa ôxy là cấu trúc xếp sít nhau của các quả cầu anion ô xy, còn các cation điền vào các nút trốnggiữa các quả cầu đó. Cách xếp cầu, vị trí nút trống thường là nút trống hình bốn mặt và tám mặt sẽ qui định kiểu cấu trúc của hợp chất đó. Thông thường người ta thường lấy cấu trúc của một số hợp chất có trong tự nhiên làm đại diện. b. Trạng thái vô định hình. Khác với trạng thái tinh thể, trạng thái vô định hìnhđược tạo nên do sự sắp xếp một cách không có trật tự, không theo qui luật của đơn vị cấu trúc cơ bản. Mạng lưới nguyên tử của nó do đó không có các yếu tố đối xứng, không có tính tuần hoàn. Cấu trúc trên dẫn tới các tính chất đặc trưng của vật liệu vô định hình là chúng có tính đẳng hướng (isotropic), có năng lượng dư cao và không bền về nhiệt động. Trạng thái vô định hình thu được thông thường bằng cách cho nguội nhanh hợp chất vô cơ từ trạng thái lỏng nóng chảy. 143 Khác biệt với vật liệu tinh thể, các vật liệu ở trạng thái vô định hình thủy tinh thay đổi tính chất đều đặn theo nhiệt độ, không có điểm đột biến khi chuyển trạng thái. Như vậy thủy tinh không có nhiệt độ nóng chảy xác định như vật liệu tinh thể mà nó chuyển trạng thái từ từ trong một khoảng nhiệt độ. 9.2.3 Vật liệu đa pha và đa tinh thể. Vật liệu vô cơ có thành phần pha rất đa dạng. Ngoài những vật liệu một pha như thủy tinh, gốm đơn ôxýt, phần lớn vật liệu vô cơ là loại vật liệu có nhiều pha. Trong vật liệu vô cơ nhiều pha, pha chính là các pha tinh thể được liên kết với nhau bởi các pha vô định hình. Ngoài ra trong vật liệu vô cơ này còn luôn có pha khí tôn tại dưới dạng các bọt khí xen kẽ. Pha khí có trong vật liệu thông thường do điều kiện công nghệ không thể tránh được nhưng cũng có trường hợp người ta chủ ý đưa vào để nhằm mục đích nhất định thí dụ như tăng độ xốp để làm vật liệu nhẹ và cách điện như gốm xốp, thủy tinh xốp và bê tông xốp v.v. Do điều kiện công nghệ nên vật liệu vô cơ tinh thể không có cấu trúc đơn tinh thể mà đều là vật liệu đa tinh thể, nghĩa là nó được tạo bởi vô số các hạt itnh thể kích thước nhỏ, phân bố không có quiluật trong vật liệu. Các hạt tinh thể này có thể có cùng thành phần hóa học hoặc có thể có thành phần hóa học khác nhau. Các hạt tinh thể trong vật liệu vô cơ thường có cấu trúc không hoàn chỉnh, chứa nhiều khuyết tật. 9.3 TÍNH CHẤT CƠ BẢN CỦA VẬT LIỆU VÔ CƠ. 9.3.1 Cơ tính của vật liệu vô cơ.  Tính chất đàn hồi và tính dòn. Vật liệu vô cơ là loại vật liệu đàn hồi điển hình. Ở nhiệt độ thường dưới tác dụng của tải trọng, mối quan hệ giữa ứng suất hình thành trong vật liệu σ và độ biến dạng ε của mẫu thử hoàn toàn tuân theo định luật Hooke: σ =E. ε Trong đó E là môdun đàn hồi. Hình 9.2 trình bày quan hệ giữa ứng suất σ và độ biến dạng ε của hai loại vật liệu khác nhau, vật liệu vô cơ và vật liệu kim loại với: • đường 1 đường biểu diễn vật liệu vô cơ. • đường 2 đường biểu diễn vật liệu kim lọai. Hình 9.2 Mối quan hệ giữa σ và ε của vật liệu vô cơ và vật liệu kim loại. 144 Từ hình vẽ ta nhận thấy ở trên giới hạn đàn hồi vật liệu vô cơ bị phá hủy ngay mà không có giai đoạn biến dạng dẻo như vật liệt kim loại. Ðây chính là đặc trưng của tính giòn của vật liệu vô cơ.  Ðộ bền cơ học. Ðộ bền cơ học của vật liệu vô cơ không phải do năng lượng liên kết nguyên tử cấu tạo nên nó quyết định mà do tình trạng khuyết tật trên bề mặt và bêntrong vật liệu quyết định. Khi số lượng vết nứt tế vi và kích thước vết nứt tăng thì cơ tính giảm Ở các vật liệu vô cơ tinh thể, kích thước của các hạt tinh thể cấu tạo nên vật liệu có ảnh hưởng rõ tới cơ tính của vật lịêu. Khi kích thước hạt càng giảm thì bề mặt ranh giới giữa các hạt tăng lên, sẽ có tác dụng ngăn chặn hoặc làm thay đổi hướng lan truyền vết nứt, vì thế độ bền cơ học của vật liệu tăng lên. Ngoài ra khi hàm lượng bọt khí trong vật liệu tăng thì độ bền giảm không chỉ do diện tích chịu lực giảm, mà còn do tại các chỗ rỗ khí thường tập trung tạp chất và ứng suất. Hình dạng bọt khí cũng ảnh hưởng tới cơ khí. Các bọt khí dài làm giảm độ bền mạnh hơn so với các bọt khí tròn. Tuy nhiên, khi hàm lượng bọt khí rất thấp chẳng hạn khoảng 0,1 tới 0,5% và kích thước của chúng lại rất nhỏ có thể làm tăng độ bền. Trong trường hợp này các lỗ hổng cực mịn đóng vai trò các turng tâm hấp thụ năng lượng có tác dụng ngăn chặn sự lan truyền vết nứt và giải toả ứng suất phá hủy vật liệu. Cuối cùng, độ bền của vật liệu vô cơ còn phụ thuộc vào điều kiện và môi trường sử dụng. Hơi ẩm và nhiệt độ chẳng hạn làm giảm năng lượng bề mặt riêng nên làm giảm độ bền. Tốc độ tải trọng tăng càng lớn, kích thước mẫu càng nhỏ thì kết quả đo độ bền càng cao. Vì thế xác định độ bền của vật liệu vô cơ cần phải được thực hiện theo đúng các qui định ghi trong các tiêu chuẩn. 9.3.2 Tính chất nhiệt của vật liệu vô cơ.  Tính giãn nở nhiệt. Ðể đánh giá mức độ giãn nhở nhiệt của vật liệu vô cơ người ta sử dụng hệ số giãn nở nhiệt dài α theo công thức: Tl l o ∆ ∆ = . α ( 0 C -1 ) Trong đó l 0 là độ dài ban đầu của mẫu; ∆l là độ giãn dài của mẫu khi nhiệt độ tăng thêm ∆T độ. Ngoài ra, người ta còn quan tâm đến hệ số giãn nở nhiệt thể tích β: TV V ∆ ∆ = . 0 β ( 0 C -1 ) Với V 0 là thể tích ban đầu của mẫu; ∆V là độ giãn nở thể tích của mẫu khi nhiệt độ tăng thêm ∆T độ. Một cách gần đúng β ≈ 3α. Các bạn xem thêm tính chất nhiệt của vật liệu đã được trình bày trong Vật liệu học tập 1 trang 27 - 28. 145 Trong nhiều vật liệu vô cơ – gốm, lực liên kết giữa các nguyên tử khá mạnh và được phản ánh ở giá trị hể số giãn nở nhiệt tưong đối thấp trong khoảng 0,5.10 -6 và 15.10 -6 ( 0 C -1 ). Ở các gốm không tinh thể và các gốm có cấu tinh thể lập phương hệ số giãn nở nhiệt là đảng hướng. Ngược lại trong một số gốmhệ số giãn nở nhiệt lại có tính dị hướng, khi nung nóng thì chúng co theo một hướng và nở ra theo một vài hướng khác. Hệ số giãn nở nhiệt của vật liệu vô cơ đa pha phụ thuộc vào hệ số giãn nở nhiệt của các pha thành phần. Các tạp chất làm tăng hệ số giãn nở nhiệt. Vật liệu gốm làm việc trong điều kiện tăng, giảm nhiệt cần phải có hệ số giãn nở nhiệt tương đối tấp và đẳng hướng. Ngoài ra, những vật liệu giòn này có thể bị nứt vỡ do sự thay đổi kích hước không đồng đều, gọi là “sốc” nhiệt. [[  Tính dẫn nhiệt. Về nguyên tắc, vật liệuđơn tinh thể có độ dẫn nhiệt cao hơn vật liệu đa tinh thể, vật liệu 6inh thể có độ dẫn nhiệt cao hơn vật liệu vô định hình. Riêng vật liệu gốm bán dẫn và thủy tinh bán dẫn có độ dẫn nhiệt đặc biệt cao vì có mặt của các điện tử tự do. Sự có mặt của các lỗ xốp trong vật liệu vô cơ có ảnh hưởng rất lớn đến độ dẫn nhiệt của vật liệu. Không khí bị giam trong các lỗ xốp có khả năng dẫn nhiệt kém ở nhiệt độ thấp nên làm giảm mạnh độ dẫn nhiệt của toàn vật liệu. Hầu hết các vật liệu cách nhiệt sử dụng trong kỹ thuật là các vật liệu xốp vì tỉ lệ lỗ xốp trong vật liệu lớn nên vật liệuc có hệ số dẫn nhiệt rất nhỏ. Tuy nhiên khi nhiệt độ tăng cao thì khả năng dẫn nhiệt của vật liệu này sẽ tăng do thành phần truyền nhiệt bức xạ của lỗ xốp tăng. [[[  Tính truyền nhiệt bức xạ. Ngòai khả năng truyền dẫn nhiệt, vật liệu vô cơ còn có khả năng truyền nhiệt bức xạ qua pha vô định hình và pha khí. Ðối với các vật liệu cô cơ có tỉ lệ pha vô định hình và pha khí (trong các lỗ xốp) cao, khi nhiệt độ tăng cao, vai trò truyền nhiệt bức xạ sẽ tăng lên và có thể chiếm ưu thế so với truyền nhiệt dẫn nhiệt. Thông thường vật liệu vô cơ truyền nhiệt bức xạ một cách đáng kể bắt đẩu từ nhiệt độ trên 300 0 C. Các lỗ xốp trong vật liệu vô cơ cũng ảnh hưởng đến khả năng truyền nhiệt bức xạ của vật liệu. Các lỗ xốp có kích thước càng lớn, khả năng truyền nhiệt bức xạ của vật liệu càng cao.  Ðộ bền xung nhiệt. Ðộ bền xung nhiệt là khả năng bền vững cơ học của vật liệu vô cơ dưới tác dụng nhiệt độ thay đổi đột ngột; nó được xác định bằng khỏang chênh lệch nhiệt độ ∆T lớn nhất hoặc số lần thay đổi nhiệt độ đột ngột theo các điều kiện qui định về tốc độ và khỏang nhiệt độ thay đổi, kích thước mẫu v.v. mà vật liệu chưa bị phá hủy. Ðộ bền xung nhiệt của vật liệu vô cơ phụ thuộc phức tạp vào nhiều yếu tố khác nhau như độ bền cơ học, độ dẫn nhiệt, tổ chức vi mô và vĩ mô của vật liệu, hình dáng và kích thước mẫu thử cũng như điều kiện đo đạc v.v. Ðộ bền xung nhiệt thực của vật liệu vô cơ thông thường được xác định bằng thực nghiệm theo các tiêu chuẩn qui định đối với từng lọai vật liệu hoặc từng lọai sản phẩm sản xuất từ vật liệu vô cơ. 9.4 MỘT SỐ VẬT LIỆU VÔ CƠ THƯỜNG GẶP. 9.4.1 Thủy tinh.  Tổng quan 146 Thủy tinh là vật liệu có cấu trúc vô định hình được tạo thành bằng cách làm nguội một hợp chất vô cơ từ trạng thái nóng chảy hòan tòan ở nhiệt độ cao đến trạng thái rắn không kết tinh. Khái niệm thủy tinh có thể chỉ chung các lọai vật liệu có cấu trúc vô định hình như thủy tinh hữu cơ, thủy tinh vô cơ và thủy tinh kim lọai. Trong phần này chúng ta chỉ nói đến vật liệu thủy tinh vô cơ. Vật liệu thủy tinh có các tính chất quang học đặc biệt, có độ bền hóa học cao, co khả năng chịu nhiệt khá tốt và đặc biệt cách điện tốt nên chúng được sử dụng trong nhiều lĩnh vực kỹ thuật khác nhau. Thủy tinh công nghiệp được chế tạo như sau: − Các nguyên liệu nấu thủy tinh như sođa Na 2 CO 3 , đá vôi CaCO 3 , tràng thạch (K, Na) AlSi 3 O 8 , đolômít CaCO 3 .MgCO 3 , cát trắng SiO 2 (để sản xuất thủy tinh silicát) … được cân trộn theo một tỉ lệ xác định để có phối liệu thủytinh. − Nấu phối liệu thủy tinh trong lò có nhiệt độ 1.400 -1.500 0 C − Bằng máy hay thủ công người ta hình thành các sản phẩm từ thủy tinh ở trạng thái mềm (khỏang nhiệt độ 1.000 -1.200 0 C) với các phương pháp khác nhau như cán, ép, dập, thổi hay kéo tấm, kéo ống v.v . − Ðưa các sản phẩm vào lò ủ để khử ứng suất dư, tránh nứt vỡ bằng cách nung ở 500-600 0 C rồi làm nguội chậm đến nhiệt độ bình thường. − Mài, đánh bóng trong một số trường hợp cần thiết. Một số vật liệu thủy tinh vô cơ thường gặp là thủy tinh silicat – kiềm – kiềm thổ, thủy tinh silicat, thủy tinh thạch anh, thủy tinh chì silicat, thủy tinh không silicat và thủy tinh silicatborosilicát và alumosilicat.  Thủy tinh silicat–kiềm–kiềm thổ. Ðây là lọai thủy tinh thông dụng nhất, nó được chế tão từ các nguyên liệu chính là cát trắng (cung cấp SiO 2 ), đá vôi (cung cấp CaO), đolômít (cung cấp CaO và MgO) và sô đa (cung cấp Na 2 O). Lọai thủy tinh này có tính năng của thủy tinh thông thường là trong suốt,bền hóa, kín khí và chất lỏng, có độ bền cơ đạt yêu cầu và tương đối rẻ. chúng được dùng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực khác nhau như kính xây dựng, bao bì, dụng cụ chứa nước công nghiệp hóa chất, dược phẩm,. thực phẩm, đồ gia dụng, vỏ bóng điện, màn hình tivi, v.v. Ðể tăng độ bền cơ học và độ bền xung nhiệt dùng phương pháp tôio nhiệt tức làm nguội nhanh thủy tinh từ nhiệt độ biến mềm, hay người ta dùng phương pháp trao đổi ion tức thay ion kiềm ở bề mặt thủy tinh bằng ion kiềm khác có kích thước lớn hơn để tạo ra ứng suất nén dư trên bề mặt thủy tinh. Bằng cách này độ bền cơ học của thủy tinh có thể tăng lên từ 3 đến 10 lần Những phương pháp này thướng áp dụng cho kính ô tô, thủy tinh cách điện, cốc tách v.v. Thủy tinh sợi như bông rối, sợi, vải, thảm v.v được dùng làm vật liệu cách nhiệt, cách âm và cốt liệu cho vật liệu compozít. Thủy tinh silicát –kiềm-kiềm thổ còn được chế tạo dưới dạng khối xốp (thủy tinh xốp) để làm vật liệu cách nhiệt, cách âm có thể làm việc được trong khỏang nhiệt độ từ âm -180 0 C đến 400 0 C.  Thủy tinh thạch anh. 147 Thủy tinh thạch anh là thủy tinh đơn ôxýt SiO 2 có nhiệt độ nóng chảy cao trên 1.700 0 C, độ nhớt cao nên khó csản xuất. Thủy tinh này có hai lọai là thủy tinh thạch anh trong suốt (có tổ chức hòan tòan đồng nhất) và thủy tinh thạch anh không trong suốt (tổ chức chứa nhiều bọt khí và chưa đồng nhất hòan tòan). Thủy tinh thạch anh trong suốt có nhiều tính năng quí như có hệ dố giãn nở nhiệt rất nhỏ, có độ bền xung nhiệt cao, có nhiệt độ biến mềm cao và bền hóa cao nên được dùng nhiều làm các dụng cụ và thiết bị chịu nhiệt độ cao và bền hóa học cao. Với lọai có độ tinh khiết cao, chúng có tính chất đặc biệt là cho tia tử ngọai (λ<200nm) đi qua nên được dùng làm đèn phát tử ngọai. Trên cơ sở sợi thủy tinh thạch anh trong suốt tinh khiết có chứa th6m B 2 O 3 , người ta chế tạo ra các sợi thủy tinh cáp quang, một phương tiện truyền tải thông tin hiện đại. Thủy tinh thạch anh không trong suốt được sử dụng làm vật liệu chịu lửa, chén nấu, dụng cụ và thiết bị chịu nhiệt và bền hóa.  Thủy tinh chì silicat. Thủy tinh hệ SiO 2 -PbO-Na 2 O/K 2 O khác biệt với các lọai thủy tinh silicát khác ở chỗ chúng có chỉ số khúc xạ cao nên chúng được dùng nhiều làm thủy tinh quang học (chứa 10- 80Pb) và đồ dùng dân dụng mỹ nghệ cao cấp như thủy tinh phalê (chứa 13-35%PbO). tuy nhiên đề bảo đảm chỉ tiêu quang học và vẻ đẹp trong suốt không màu cho phalê, cần phải khống chế rất chặt cjhẽ các tạp chất gây màu như hàm lượng Fe 2 O 3 phải dưới 1% đối với thủy tinh quang học và dưới 0,02% đối với thủy tinh pha lê. Kính tấm bằng thủy tinh chì với hàm lượng PbO cao (khỏang 40-80%) vẫn hòan tòan trong suốt lại có tác dụng ngăn các tia rơngen, nên bảo vệ sức khỏe cho người quan sát. Tính chất của một số lọai thủy tinh silicát được trình bày trong bảng 9.1. Bảng 9.1 Tính chất của một số lọai thủy tinh silicát. Số TT Tính chất Thứ nguyên Thủy tinh Silicat– kiềm –kiềm thổ Thủy tinh chì silicat Thủy tinh thạch anh trong suốt 1 Khối lượng riêng g/cm 3 2,47-2,6 2,8-6,2 2,2 2 Chiết suất – 1,5-1,52 1,56-2,0 1,45 3 Giới hạn kéo MPa 50-110 – 90 4 Hệ số giãn nở nhiệt 70-100 90-90 5 5 Ðộ bền xung nhiệt K 90-150 100 1.000 6 Ðộ bền nước – 3-4 3-4 1  Thủy tinh không silicat. Bên cạnh những SiO 2 là ôxýt quan trọng nhất để tạo ra họ thủy tinh silicat, còn có các ôxýt khác như P 2 O 3 , B 2 O 3 , GeO 2 và TeO 2 tạo ra thủy tinh kông phải silicat. CÁc thủy tinh lọai 148 này được ứng dụng chủ yếu vào các mục đích kỹ thuật đặc biệt như các thấu kính quang học, các lọai kính lọc ánh sáng, các đèn phát đơn sắc, tử ngọai, hồng ngọai, các kính vảo vệ chống bức xạ có hại cho người v.v. Lọai thủy tinh này đang được tiếp tục nghiên cứu phát triển và ứng dụng. 9.4.2 Xi măng và bêtông.  Khái niệm chung. Bêtông là vật liệu xây dựng quan trọng được chế tạo bằng phương pháp kết dính các thành phần vật liệu rắn khác nhau ở nhiệt độ thường nhờ chất kết dính. Các vật liệu rắn (cốt liệu) thường được dùng là đá răm hay sỏi, cát. Còn chất kết dính được sử dụng chủ yếu là xi măng poclan và nước. Khi pha trộn các cốt liệu với xi măng poclan và nước theo một tỉ lệ xác định người ta thu được một hỗn hợp ở thể nhão được gọi là vữa bêtông. Vữa này được đổ vào khuôn để tạo ra các sản phâûm và cấu kiện xây dựng. Sau khi đông rắn, khối vật liệu trở nên liền khối và vững chắc.  Xi măng. Xi măng là một chất kết dính thủy lực, nó tác dụng với nước để tạo ra các hợp chất kết dính. Các hợp chất này đóng rắn trong nước và các sản phẩm của nó đóng rắn bền trong nước. Xi măng có mấy lọai chính sau: • Xi măng alumin trên cơ sở hệ CaO-Al 2 O 3 , có chứa thêm SiO 2 và Fe 2 O 3 . • Xi măng trên cơ sở xỉ lò cao, có chứa thêm thạch cao hoặc vôi. • Xi măng poclan trên cơ sở hệ CaO-SiO 2 có chứa thêm Al 2 O 3 và Fe 2 O 3 . Ðây là lọai xi măng được dùng nhiều nhất trong xây dựng. Từ xi măng poclan người ta biến thể ra các lọai khác như: − Xi măng stronxi trong đó CaO được thay thế bằng SrO. − Xi măng bari khi CaO được thay bằng BaO. − Xi măng ferô trong đó Al 2 O 3 được thay thế bằng Fe 2 O 3 . − Xi măng poclan xỉ là hỗn hợp của ximăng poclan với 20-40% các nguyên liệu khác như trepen, điatomit, đất pulơlan v.v được nghiền mịn. − Xi măng trắng. − Xi măng màu. Xi măng poclan được chế tạo như sau: các nguyên liệu ban đầu như quặng sắt, đá vôi, đất sét v.v được cân đong, nghiền mịn rồi trộn đều để tạo ra phối liệu. Phối liệu được mang đi nung luyện ở nhiệt độ 1.400-1.500 0 C (thường bằng lò quay) để có các phản ứng tạo ra các khóang cần thiết. Sản phẩm sau khi nung (gọi là clinke) được nghiền mịn đến kích thước nhỏ 0,5-50µm. Trong quá trình nghiền này người ta có thể cho thêm một số chất phụ gia để điều chỉnh một vài tính chất của xi măng như cho thêm thạch cao để điều chỉnh tốc độ đông kết của xi măng v.v. Các khóang chính của clinke gồm có: − Alít (3CaO.SiO 2 ). 149 − Belit β (2CaO.SiO 2 ). − Tricanxi aluminat (3CaO.Al 2 O 3 ). − Xelit 4CaO.Al 2 O 3 .Fe 2 O 3 ). Pha trộn các khóang trên với các tỉ lệ khác nhau, người ta thu được các lọai xi măng poclan với những tính chất riêng như xi măng đóng rắn nhanh, xi măng bền nhiệt, xi măng bền sulfat v.v. đáp ứng được nhiều mục đích sử dụng khác nhau. Thành phần khóang và độ bền cơ học của một số lọai xi măng poclan được cho trong bảng 9.2. Bảng 9.2. Thành phầnlkhóang và độ bền cơ học của một số lọai xi măng poclan. Lọai xi măng poclan Thành phần khóang (%) Giới hạn bền nén (MPa) Belit Alít Tricanxi aluminat Xelit Sau 3 ngày Sau 28 ngày Lọai thường 25 49 11 8 12,5 26,5 Lọai rắn nhanh 14 58 11 8 22 – Lọai bền nhiệt 46 28 5 13 8,5 25,5 Lọai bền sulfat 38 41 4 10 10,5 26,5 Khi xi măng được hòa trộn với nước, nó sẽ bị hydrát hóa theo các phản ứng: 2(3CaO.SiO 2 ) + 6H 2 O → 3CaO.2SiO 2 .3H 2 O + 3Ca(OH) 2 . 2(2CaO.SiO 2 ) + 4H 2 O → 3CaO.2SiO 2 .3H 2 O + Ca(OH) 2 . 3CaO.Al 2 O 3 + 6H 2 O → 3CaO.Al2O3.6H 2 O. 4CaO.Al 2 O 3 .Fe 2 O 3 + nH 2 O → 3CaO.Al 2 O 3 .6H 2 O + CaO.Fe 2 O 3 .H 2 O. CaO.Fe 2 O 3 .H 2 O + 2 Ca(OH) 2 + xH 2 O → 3CaO.Fe 2 O 3 .6H 2 O. Quá trình này bắt đầu từ bề mặt hạt xi măng rồi phát triển sâu vào trong hạt. Quá trình hydrát hóa của xi măng theo các giai đọan: • Trạng thái ban đầu là hỗn hợp vữa xi măng gồm cát, nước và ximăng (hình 9.3a). • Hydrát hóa một phần xi măng bằng cách nối các hạt cát lại với nhau (hình 9.3b). • Hydrát hóa hòan tòan và dính kết các hạt cát nhò pha tinh thể hydrát (hình 9.3c). 150 Hình 9.3 Quá trình hydrát hóa và đông rắn của vữa xi măng. Nếu hạt xi măng đủ mịn và được trộn với lượng nước vừa đủ, quá trình hydrát hóa sẽ diễn ra hoàn toàn. Nếu thiếu nước, một phần xi măng không được phản ứng. Nếu thừa nước, sẽ tạo ra các lỗ, các kênh chứa nước làm cho vữa xi măng linh động, dễ thao tác hơn nhưng lại làm giảm độ bền của vật liệu sau khi đông rắn. Sau quá trình hydrát hóa xảy ra gia đọan kết tinh tạo ra các tinh thể hydrát với kích thước cỡ 10-100nm làm cho khối vật liệu trở nên vững chắc và có khả năng chịu tải tốt. Có thể điều chỉnh một số tính chất thi công của xi măng như tăng hay giảm thời gian đông rắn, điều chỉnh độ dẻo v.v. bằng cách cho thêm một số chất phụ gia khi pha trộn hỗn hợp. Người ta dùng “mác” xi măng để đặc trưng cho độ bền cơ học (được qui định là độ bền nén) của nó. Thí dụ mác PC30 cho biết đây là xi măng poclan có mác 30 với giới hạn bền nén là 30MPa. Xi măng alumin có độ bền cao hơn xi măng poclan, có thời gian đông rắn rất nhanh chỉ sau 1 ngày có thể tháo dỡ cốt pha, bền trong môi trường nước biển và khóang. vì thế xi măng alumin thường được sử dụng trong các công trình xây dựng khẩn cấp, đặc biệt trong các công trình trong môi trường nước biển hoặc nước khóang, tân trang các nhà cửa, sửa chữa đường cao tốc, các đường băng máy bay v.v. Ngòai ra, lọai xi măng alumin còn có thể chịu nhiệt độ cao tới 2.000 0 C và chịu được nhiệt độ thay đổi đột ngột, vì vậy xi măng alumin còn được sử dụng trong ngành luyện kim và ngành công nghệ silicat gốm (kính, sứ, gạch v.v.).  bêtông. Như phần khái niệm chung đã trình bày, bêtông là vật liệu được chế tạo bằng cách pha trộn các thành phần vật liệu rắn khác nhau như sỏi, đá răm hay cát và xi măng ttheo một tỉ lệ nhất định tùy theo yêu cầu về độ bền của bêtông. Sỏi và đá răm thường có k1ich thước klhỏang 1-4cm, cát vàng có cỡ hạt khỏang 0,1- 2mm, xi măng khô có cỡ hạt 0,1-10µm. Người ta sử dụng các thành phần vật liệu với kích thước hạt khác nhau là để tạo ra mật độ cao cho bêtông. Trong bê tông, sỏi-cát-xi măng các hạt cát hạt nhỏ sẽ điền vào chỗ trống giữa các viên sọi, còn các hạt xi măng với k1ich thước nhỏ hơn nữa lại chen vào các khỏang trống giữa các hạt cát, do đó thể tích của vật liệu được điền đầy với mật độ cao nhất. Ngòai ra, bề mặt các hạt cát và sỏi đóng vai trò tạo mầm dị thể cho qúa trình kết tinh của các hợp chất hydrát xi măng. Các tinh thể hydrát xi măng này phát triển đan xen vào nhau, liên kết các hạt cát, sỏi lại với nhau. Bê tông lọai thường có cốt liệu là cát, sỏi, đá vôi hay đá granit v.v có tỉ trong khá lớn cỡ 2-3g/cm 3 . Bêtông lọai nhẹ có cốt liệu là xỉ lò cao, đất sét nung trương nở (ceramzít), đá xốp 151 [...]... chết tạo bê tông cốt thép và cao hơn nữa là bê tông ứng lực dư, tức tạo ra ứng suất nén dư do theo chiều cốt thép chịu lực chính của bê tông Bê tông cốt thép là vật liệu kết hợp compzít vì nó bao gồm bê tông là vật liệu vô cơ và cốt thép là vật liệu kim lọai 152 ... trong quá trình đóng rắn xi măng Ðộ bền cơ học của bêtông phụ thuộc nhiều yếu tố như tỉ lệ giữa xi măng với các cốt liệu, tỉ lệ giữa nước và xi măng, hàm lượng pha khí tức những lỗ trống trong bê tông, phụ thuộc nhiệt độ lúc đổ và bảo dưỡng bê tông và phụ thuộc vào kỹ thuật đúc các cấu kiện v.v Tính chất cơ học của bê tông mang đặc điểm chung của vật liệu vô cơ là có độ bền nén cao và độ bền kéo thấp . Chương 9 VẬT LIỆU VÔ CƠ CERAMIC 9. 1 CÁC KHÁI NIỆM CHUNG VỀ VẬT LIỆU VÔ CƠ. 9. 1.1 Ðịnh nghĩa và phân loại.  Ðịnh nghĩa. Vật liệu vô cơ được tạo. trong vật liệu vô cơ thường có cấu trúc không hoàn chỉnh, chứa nhiều khuyết tật. 9. 3 TÍNH CHẤT CƠ BẢN CỦA VẬT LIỆU VÔ CƠ. 9. 3.1 Cơ tính của vật liệu vô cơ.