NGHIEN CU CONG NGH CH TO HT KERAMZI

NGHIÊN CỨU CÔNG NGHỆ CHẾ TẠO HẠT KERAMZIT ĐỂ ỨNG DỤNG SẢN XUẤT VẬT LI ỆU NH Ẹ RESEACH TECHNOLOGY OF KERAMZITE PRODUCTION USED FOR LIGHTWEIGHT MATERIAL Nguyễn Văn Chánh Lê Phúc Lâm Khoa Kỹ Thuật Xây dựng, Đại học Bách Khoa, Tp Hồ Chí Minh, Việt Nam BẢN TÓM TẮT Tác giả nghiên cứu chế tạo cốt liệu nhẹ keramzit Việt Nam dùng cho bê tông nhằm mục đích tìm loại cốt liệu nhân tạo đáp ứng đầy đủ yêu cầu cần thiết cốt liệu dùng cho bêtông nhẹ, đồng thời khảo sát đặc tính loại cốt liệu ảnh huởng đến tính chất bêtơng Trên sở tiếp tục nghiên cứu hồn thiện, cải tiến đặc tính bêtơng cốt liệu nhẹ khả cách nhiệt, cách âm, nâng cao cường độ chịu lực bêtơng, tính thẩm mỹ bêtơng để sử dụng làm vật liệu trang trí xây dựng ABSTRACT In Viet Nam, The writer reseached the project of Keramzite aggregate, used for lightweight conrete in order to discover artificial aggregate that met all the nescessary requests of lightweight aggregate At the same time, testing the aggregate properties and the effect on conrete properties, reseach to improve properties ‘s lightweight – aggregate conrete: insulation, soundproofing, raise strength of lightweight conrete and aestheticism of conrete, made decorative materials, for instance GIỚI THIỆU Trên giới, bêtông cốt liệu nhẹ ngày sử dụng rộng rải trở nên phổ biến Bởi lẽ ngồi ưu điểm bêtơng thường cịn có tính cách âm, cách nhiệt tốt đặc biệt tổng giá thành cơng trình nhà cao tầng xây dựng bêtông nhẹ cốt liệu rỗng thường thấp đáng kể so với sử dụng loại bêtông khác Bêtông cốt liệu nhẹ sử dụng nhiều lĩnh vực khác nhau: làm khung, sàn, tường cho nhà nhiều tầng; dùng kết cấu vỏ mỏng, cong; kết cấu bêtông cốt thép ứng suất trước; chế tạo cấu kiện bêtông cốt thép đúc sẵn Cốt liệu rỗng từ đá bọt sử dụng Châu âu từ cuối kỷ XIX Những năm đầu XX người ta dùng lò quay để sản xuất cốt liệu rỗng nhẹ cường độ cao dùng cho bêtông nhẹ Hiện chủng loại cốt liệu nhẹ đa dạng phong phú Được chia làm hai lọai theo nguồn gốc: cốt liệu rỗng tự nhiên cốt liệu rỗng nhân tạo Hình 1: Hạt Keramzit Cốt liệu rỗng tự nhiên có nguồn gốc núi lửa (đá bọt, tuff núi lửa, xỉ núi lửa) nguồn gốc trầm tích (đá vơi, đá đơlơmít rỗng, tuff đá vơi, trepen – diatomic ) Cốt liệu rỗng nhân tạo chia thành hai nhóm chính: 121 - Nhóm thứ : cốt liệu rỗng thu qua gia công học loại xỉ xốp sản phẩm thải công nghiệp luyện kim, hóa chất lượng - Nhóm thứ hai : nhóm cốt liệu nhẹ nhân tạo keramzit chế tạo cách nung đất sét, diệp thạch, thủy tinh núi lửa làm phồng nở thành dạng hạt sau qua khâu gia công học (sàng phân loại đập nhỏ sàng phân loại) để đạt cốt liệu nhẹ có kích thước cấp phối hạt cần thiết CƠ SỞ KHOA HỌC LÀM NỀN TẢNG NGHIÊN CỨU: Hình 3: Bêtơng cốt liệu nhẹ sử dụng cho cơng trình đại Mỹ Hình 2: Sử dụng cốt liệu nhẹ cho bêtơng rỗng Vì vậy, việc nghiên cứu sản xuất hạt keramzit dựa hệ nguyên liệu địa phương nước, có đặc tính ưu việt hơn, giá thành thấp đóng vai trị quan trọng việc hồn thiện phát triển bêtơng nhẹ tương lai Hình 4: Lấp khuôn để thi công tường bao che Hệ số nở phồng: Đặc trưng nở phồng đất sét hệ số nở phồng Kn Hệ số nở phồng đo thể tích khối đất nở phồng thể tích khơ tuyệt đối ngun liệu Nguyên liệu nở tốt có: K n > 4.5 γ < 400kg / m Nguyên liệu nở kém: K n < 2.5 γ = 750 − 1250kg / m Nguyên liệu nở trung bình: K n = 2.5 − 4.5 γ = 450 − 700kg / m Hệ số dẫn nhiệt trung bình: Hình 5: Panel Bêtông rỗng cốt liệu nhẹ dùng gỗ tre gia cường 122 λ = 0.05 − 0.2W / m.0 C Pha lỏng hình thành nhờ oxit dễ chảy hỗn hợp chất chảy có khả tạo pha lỏng xếp theo dãy sau: Na2O>K2O>FeO>CaO>MgO Hệ số nở phồng phụ thuộc trước hết vào thành phần đất sét nguyên liệu sau phụ thuộc q trình cơng nghệ làm phồng đất sét (phụ gia nở phồng, khoảng nhiệt độ nung tốc độ tăng giảm nhiệt độ, thiết bị làm nở phồng) Có thể ước lượng tỉ lệ oxít loại đất sét dễ phồng nở theo công thức: Fe2O3 + K2O + Na2O + MgO >4 CaO 2 Bản chất nở phồng đất sét: Bản chất phồng nở đất sét giải thích đốt nóng nhanh tạo khí có áp suất đủ lớn, hợp với silicate nóng chảy độ nhớt đủ cao có khả hình thành túi khí, làm tăng thể tích vật liệu lên nhiều lần Pha khí vật liệu keramzite : Fe2O3 vừa có khả tạo pha lỏng vừa có khả tạo pha khí nhiệt độ cao Fe2O3 FeO + O2 Rất cần thành phần đất sét ƒ Hơi nước tách từ cấu trúc khoáng đất sét ƒ CO2 cháy hợp chất hữu phân huỷ cacbonat ƒ CO H2 từ tạp chất hữu n QUÁ TRÌNH PHA LỎN G Miền nhiệt độ tối ưu ƒ O2 phân huỷ Fe2O3 ƒ SO2 SO3 phân huỷ sunphat… Các khí tách nhiệt độ khác nhautrong q trình nung Bình thường khí tách nhiệt độ thấp, khoảng 580600oC không tác dụng gây phồng nở rỏ Chỉ khí khí tách khoảng nhiệt độ khoảng 800 -1050o C có tác dụng gây nở phồng rõ rệt lúc pha thủy tinh hình thành với lượng đủ lớn T1 T2 o TC H 2O,CO2 ,CO,H ,O2,SO2 ,SO3 Khi tốc độ nung đủ nhanh, khí tách lúc với hình thành pha lỏng nhớt Nếu áp lực sinh khí đột ngột cân với độ nhớt pha lỏng, túi khí tạo thành Người ta gọi tượng “nổ dẻo” Khi tốc độ làm nguội đủ lớn, , pha thuỷ tinh tạo túi màng mà đủ độ bền đễ giữ dung tích khí lớn Đây yêu cầu đánh giá lượng keramzite (cần nhiều lỗ xốp nhỏ, kín, đều) V QUÁ TRÌNH PHA KHÍ HÌNH BẢN CHẤT PHỒN G NỞ KERAMZIT THỰC NGHIỆM VÀ QUI TRÌNH CƠNG NGHỆ : 3.1 Sơ đồ cơng nghệ: 123 Đất sét Phụ gia Sấy Định lượng Nghiền sơ (máy đập búa) Nghiền mịn (máy nghiền xa luân/ máy nghiền bi) Nhào trộn (máy nhào trộn hai trục, cánh nằm ngang) Định lượng Nước Định lượng Định lượng Máy vê viên Nung (Lò quay, dầu F.O, t = 79phút) Sản phẩm Sấy - Phụ gia tạo khí (than đá, mạt cưa, chất phân huỷ tạo khí nhiệt độ cao: CaCO3, CaSO4, MgSO4… tạp chất hữu cơ) Nguyên liệu sản xuất hạt keramzit đất sét với thành phần hợp lý, thêm phụ gia: - Phụ gia tạo pha lỏng: thường oxít kiềm, cho thêm cần đảm bảo tỉ lệ oxít phân tích Bảng 1: Thành phần đất sét dùng làm nguyên liệu để sản xuất Thành phần % Al2O3 5,52 9,87 SiO2 74,04 85,99 Fe2O3 2,69 6,80 CaO 1,04 1,59 MgO 0,5 1,08 SO3 0,49 0,85 Hệ số mềm 0,51 Độ cứng thang Morh 1,5 1,5 MKN 3,91 5,63 Bảng 2: Các đặc trưng đất sét Đất sét Mẫu Mẫu Khối lượng riêng g/cm3 2,15 2,38 Khối lượng thể tích kg/cm3 1000 1160 Độ rỗng % 54 50,3 Độ hút nước % 53 50 Cường độ KG/cm2 12 10 Màu sắc Vàng sáng Vàng lợt nhiều, mà cần lượng khí sinh thời điểm cần thiết Đặc biệt, lượng chất hữu làm phụ Các phụ gia phải mức độ cần thiết, lượng khí thực cần để đất sét nở phồng không 124 nhiệt độ max đường cong nung mà sản phẩm có biến đổi khác pha thuỷ tinh, cấu trúc rỗng gia nhiều khử dạng oxit sắt sắt kim loại, làm giảm đọ bền túi khí Hình 6: Đất sét vê viên trước nung Hình 7: Đường cong nung phịng thí nghiệm (Tmax = 12500C) 3.2 Q trình nung: Keramzit tạo hình theo phương pháp khơ phương pháp dẽo Nung lị quay, nung lị đứng hặc lị phịng Trường hợp nung lò đứng lò phòng, ban đầu viên gạch tạo thành viên gạch thông thường Gạch nung nở phồng Viên gạch phồng sau đập nhỏ tới cỡ hạt cần thiết Phương pháp có hiệu thấp Từ kết nghiên cứu nung nhận thấy, đất sét nung nhiệt độ 8000 C có khối lượng thể tích là: 890 kg/m3, cường độ kháng nén Rn = 43,5 kg/cm2, tăng 2,12 lần so với điều kiện tự nhiên Nếu nung đến nhiệt độ 10500 C, khối lượng thể tích khơng thay đổi (γ0 = 1,190 kg/m3) mẫu nhẹ, cường độ phát triển đáng kể Rn = 217,5 kg/cm2 Vì vùng nhiệt độ nung 800 – 10500 C vùng nhiệt độ thích hợp để gia cơng chế tạo đất sét làm cốt liệu cho bêtông nhẹ cách nhiệt, cách nhiệt chịu lực bêtông nhẹ chịu lực Khi nung đến nhiệt độ 11000C mẫu đặt sít có cường độ cao khối lượng thể tích tăng đáng kể (γ0= 1670 kg/m3) Nếu nung đến nhiệt độ 12500C khối lượng thể tích 2000 kg/m3 Tuy nhiên, nung từ nhiệt độ 11000C đến 12500C với chế độ nung, phụ gia tạo pha lỏng khí thích hợp sản phẩm keramzit tạo có độ phồng nở tốt, khối lượng riêng giảm đáng kể so với nung thô nhiệt độ 8000 – 12500 C Từ ta thấy ảnh hưởng sâu sắc q trình nung luyện phụ gia đến tính chất sản phẩm keramzit Tuỳ theo tốc độ tăng nhiệt Có thể chia q trình nung thành ba giai đoạn : ƒ Giai đoạn : t = 45 (phút), nâng nhiệt đến 850 0C Đây trình nước vật lý hoá học ƒ Giai đoạn 2: t = 14 (phút), nâng nhanh nhiệt độ từ 8500 đến 12500C nhằm tạo pha khí có áp suất pha lỏng đủ lớn Q trình hố lý diễn mạnh ƒ Giai đoạn 3: t = 20 (phút), làm lạnh nhanh tạo tượng dẽo Phần pha khí với áp suất cao đột ngộ̣t cân với pha lỏng có độ nhớt lớn Khi làm lạnh nhằm tạo lớp vỏ bọc tạo vỏ cứng giàu pha thuỷ tinh Về nguyên tắc lớp vỏ cần mỏng đủ độ bền để tạo hạt keramzit với túi khí kín Hạt nguyên liệu bé, nở phồng dễ Trong sản xuất thực tế để tạo biến đổi nhiệt độ đột ngột lị nung keramzit, lị ngăn thành bậc tương ứng với giai đoạn trình nung Để tạo tốc độ nâng nhiệt đủ nhanh, chuyển động vật liệu dịng khí theo nguyên lý chiều Trong bậc đầu hạt phối liệu sấy nung nóng đột ngột, sau làm nguội bậc thứ hai Tiêu tốn nhiên liệu cho 50 - 232kg/1m3 keramzite nhiên liệu lỏng, tuỳ thuộc vào cấu trúc lò 3.3 Sản phẩm: Keramzit loại vật liệu dạng sỏi gốm, tạo thành nung nóng nhanh đất sét khoảng 850 -12500C Trong khoảng nhiệt 125 khoảng 70% phần thể tích tồn khối keramzit, 90% lỗ xốp kín, khơng liên thơng Kích thước hạt keramzit thường khoảng -10; 10 -20; 20 - 40; cát keramzit 1.2-5 mm bé 1.2 mm độ nung, số loại đất sét dễ chảy, pha lỏng chất sinh khí làm đất sét nở phồng tạo loại vật liệu rời dạng sỏi, xốp, nhẹ có độ bền nén tương đối cao (200 – 400 kg/cm2) Phần lỗ rỗng keramzit có kích thước từ vài µm tới mm chiếm khoảng 98%, phần cịn lại có kích thướt lớn tới 3-5mm chiếm khoảng 2% Phần thể tích lỗ xốp chiếm tới Hình 9: Hạt keramzit tạo thành có độ phồng nở cao, pha thủy tinh vừa phải tạo độ dính bám tốt với đá xi măng, độ hút nước thấp Hình 8: Hạt keramzit tạo thành với lớp thủy tinh bọc bên làm tăng cường độ chịu nén hay, đồng thời có độ hút nước thấp Bảng 3: Các thông số hạt Keramzit Cỡ hạt (mm) Khối lượng thể tích vun đống (kg/m3) Độ bền nén (Mpa) Độ hút nước,% - 10 500 - 600 2.5 – 3.3 20 10 - 20 400 - 500 2.0 – 2.5 25 20 - 40 350 - 400 1.5 – 2.0 30 Keramzit dùng làm chất độn ( cốt liệu), trộn với ximăng tạo nên loại bê tông nhẹ, làm giảm đáng kể trọng lượng cấu kiện xây dựng (khi dùng cho kết cấu cầu có nhịp dài: giảm trọng lượng thân 20 -30%, giảm lượng cốt thép 25 -30%), đồng thời vật liệu cách nhiệt, cách âm tốt Đây vật liệu trông chờ cho việc xây dựng kết cấu nhẹ Hình 10: Bêtơng Keramzit 126 KẾT LUẬN Q trình nghiên cứu hạt keramzit dùng cho bêtơng mở hướng việc sử dụng cốt liệu để tạo bêtông nhẹ phục vụ cho công tác xây dựng vật liệu trang trí, đồng thời đáp ừng yêu cầu bêtông cốt liệu nhẹ Từ làm tăng tính khả thi việc vận dụng kỹ thuật bêtông nhẹ vào xây dựng TÀI LIỆU THAM KHẢO Công nghệ gốm xây dựng - PTS Vũ Minh Đức - ĐH XD HÀ NỘI - N ăm 1999 Công nghệ vật liệu cách nhiệt - TS Nguyễn Tấn Quý - ĐH XD HÀ NỘI Giáo trình Cơng nghệ Bê tơng – Nguyễn Tấn Quý & Nguyễn Thiện Ruệ – NXB GI ÁO DỤC Công nghệ bê tông nhẹ - TS Nguyễn Văn Chánh – NXB XÂY DỰNG - Năm 2005 Cơng nghệ vật liệu khống cách âm cách nhi ệt – TS Nguyễn Văn Chánh – NXB X ÂY D ỰNG - N ăm 2005 127