TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA Độc lập - Tự do - Hạnh phúc NHIỆM VỤ LUẬN VĂN THẠC SĨ Họ tên học viên: LÊ VĂN QUANG MSHV: 11190725 Ngày, tháng, năm sinh: 20/08/1983 Nơi sinh: Hải Phòng Chuy
CƠ SỞ KHOA HỌC CỦA VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU
Lý thuyết về quá trình đóng rắn của xi măng Portland [3]
Clinker xi măng có thành phần khoáng vật chính bao gồm: alit, aluminate tricanxi, ferro aluminate tetracanxi Bên cạnh đó, clinker còn có các thành phần khác như CaO tự do và MgO.
Alít: 3CaO.SiO2 viết tắt là C 3 S chiếm khoảng 40-70%, là dung dịch rắn của tricanxi silicat và một lượng không lớn ( 2-4% ) các oxyt MgO, Al 2 O 3 , P 2 O 5 , Cr 2 O 3 và các tạp chất khác
Alít là khoáng quan trọng nhất của Clinker, nó quyết định cường độ và các tính chất khác của XM Cấu trúc thường ở dạng tinh thể hình lục giác theo mặt cắt ngang, dạng hình khối
Belít 2CaO SiO 2 , viết tắt là C 2 S, là khoáng quan trọng thứ hai, chiếm 15-45% trong clinker Cấu trúc thường có dạng tinh thể hình cầu
Hình 2.1 Mô hình cấu trúc khoáng Alit và Blit
Tổng hàm lượng silicat trong clinker khoảng 75%, số còn lại là các chất khác như:
Tricanxi aluminat (3CaO.Al2O3) hay còn gọi tắt là C3A, chiếm khoảng 4-12% trong xi măng C3A có tốc độ thủy hóa và đông kết nhanh nhưng cường độ không cao Đặc điểm của C3A là dễ bị ăn mòn bởi sunfat, do đó trong xi măng bền sunfat cần phải kiểm soát hàm lượng C3A dưới 5% Tinh thể C3A có dạng hình thoi.
Ferro aluminate tetracanxi 4CaO.Al 2 O 3 Fe 2 O 3 , viết tắt là C 4 AF, chiếm khoảng 10-12%, cấu trúc tinh thể dạng hình tấm lục giác, có khối lượng riêng lớn nhất trong các khoáng clinker C 4 AF có tốc độ rắn chắc trung gian giữa alít và belít, vì vậy không có ảnh hưởng lớn đến tốc độ rắn chắc và sự toả nhiệt của Xi măng porland
Tính chất đặc biệt của clinker ximăng khi nghiền mịn là những thành phần clinker có khả năng tham gia phản ứng với nước để tạo thành những chất mới có cấu trúc mới, và có lực dính kết đủ mạnh không những chỉ có những hạt vật chất riêng biệt tạo thành sau khi phản ứng với nước, mà còn có khả năng dính kết trên bề mặt sản phẩm mới với vật thể chứa trong vừa tiếp xúc với chúng (gạch, cát, đá, sỏi, thép…) Với kết quả trên, vật thể trở thành đông cứng tòan khối, gọi là monolit hay còn gọi là đá ximăng
Phản ứng tác dụng của ximăng với nước gọi chung là phản ứng hydrat, có nghĩa tác dụng với nước tạo nên vật chất có thành phần liên kết của nước ở bên trong mà không bị hủy hợp chất cũ thành chất mới Loại phản ứng này có tên gọi là phản ứng thủy hóa - hấp thụ nước, liên kết nước bên trong cấu trúc vật chất ban đầu tạo nên chất mới Có trường hợp khoáng tác dụng với nước bị phân hủy thành những chất mới Thành phần cơ bản không giữ nguyên gốc ban đầu của khoáng - loại phản ứng này gọi là phản ứng thủy phân
Hình 2.2 Mô hình mặt cắt ngang mẫu xi măng
Hình 2.3 Hình ảnh minh họa cho ximăng ở trạng thái khô (a) và sau khi bị hydrat hóa
(b)10 phút, (c) 10 giờ, (d) 18 giờ, (e) 1-3 ngày, và (f) 2 tuần
Theo Jun, khi phân tích quá trình hydrat hóa khoáng ximăng, ta tóm tắt cho từng loại khoáng như sau:
Về phản ứng của khoáng C3S, Jun đưa ra lý giải chi tiết về phản ứng hóa học của C3S với nước, hình thành sản phẩm là CH Đối lập với quan điểm của Jun, Vét cho rằng phản ứng của C3S với nước tạo ra sản phẩm là CSH, sau đó tiếp tục phản ứng với nước để tạo thành CH.
Theo Jun, C 3 S tác dụng với nước thực hiện phản ứng thủy phân tạo nên hydro silicat canxi có tỷ lệ phân tử CaO/SiO 2 nhỏ hơn 3
O mH SiO yCaO OH xCa O nH SiO CaO 2 2 ( ) 2 2 2
Trong đó: x+y=3 và m=n=2x Đa số tài liệu thể hiện hydro silicat canxi khi thủy phân C 3 S ở dạng 2CaO.SiO 2 mH 2 O Trị số m thực tế cũng rất dao động Theo Tôrôpôp, Belakin, m có thể từ 1-4 mol H 2 O cho 1 mol 2CaO.SiO 2
Cũng có tài liệu phân tích thủy phân C 3 S thành hydro silicat canxi có tỷ lệ CaO/SiO 2 =3/2
3 CaO SiO + nH O → C S H + Ca OH
( Khoáng C 3 S 2 H 2 gọi tên là aprinit.)
Vấn đề đặt ra là hydro silicat canxi tạo thành ở dạng sản phẩm trạng thái keo hay trạng thái tinh thể Nhiều tác giả kết luận hydro silicat canxi trong mọi trường hợp ở quá trình hóa học thứ nhất (quá trình phản ứng sơ cấp) tách ra ở trạng thái gel của trạng thái keo nhưng cũng có một vài tác giả lại nêu lên hydro silicat canxi tách ra dạng tinh thể hạt phân tách vô cùng mịn, kích thước của chúng thuộc hệ keo Vì vậy, kết luận là hydro silicat canxi tách ra có kích thước trạng thái keo
Khi nghiên cứu bằng kính hiển vi điện tử cũng thấy kết quả không nhất quán Một số tác giả quan sát thấy hydro silicat canxi ở trạng thái 2CaO.SiO 2 mH 2 O trong mọi giai đoạn nó phát triển thể hiện rõ ràng cấu trúc tinh thể là những hạt hình thoi tập hợp kết dính lại với nhau Nhưng cũng có tác giả quan sát thấy 2CaO.SiO 2 mH 2 O là hình cầu của dạng gel keo còn cấu trúc tinh thể tấm hình thoi thực chất là tinh thể CaCO 3 do cacbonat hóa Ca(OH) 2 Vì vậy, ta tạm chấp nhận 2CaO.SiO 2 mH 2 O tách ra ở trạng thái keo hay những hạt phân tán mịn có kích thước vô cùng nhỏ ở trạng thái keo…
Theo tổng hợp số liệu của Vet thì C 3 S, C 2 S, thủy phân hay thủy hóa tùy điều kiện môi trường khi hydrat, điều kiện đóng rắn và nồng độ vôi trong pha lỏng
Khoáng C 3 S, C 2 S, thủy phân toàn phần khi có dư nước tương tự như 6 gam ximăng trong 80-100ml nước lắc liên tục sẽ thủy phân hết silicat canxi tạo ra Ca(OH)2…
Ca O nH SiO CaO n SiO OH
Trên thực tế, phản ứng tạo C2S và phản ứng tạo CH không xảy ra đồng thời do dung dịch dần bão hòa Ca(OH)2, làm chậm hoặc ngăn cản phản ứng Do đó, tùy nồng độ Ca(OH)2 trong dung dịch mà C2S có thể phản ứng theo nhiều cách khác nhau.
- Tạo thành CSH (B) khi tỷ lệ 0 , 8 1 , 5
CaO ứng với nồng độ pha lỏng, CaO=0,08-1,1g/l
- Nồng độ vôi 1,1gam/lít tính theo CaO thì hydro silicat có công thức C 2 SH 2 Tổng hợp quá trình như sau:
-Nồng độ CaO t 0,05;4 = 2,776 Trị số tiêu chuẩn Fisher được xác định là F = S S R / S S E , phản ánh mức độ phù hợp của mô hình hồi quy với dữ liệu.
S ll 2 là phương sai lặp S d là phương sai dư được xác định theo công thức:
Với: + Y i , tương ứng là giá trị thực nghiệm và giá trị tính toán của hàm mục tiêu
+ N: số thí nghiệm N + l: số hệ số có nghĩa trong phương trình hồi quy
Tra bảng phân số Fisher tìm giá trị chuẩn số: F 0.05;l;4 Phương trình tương hợp khi: F≤ F 0.05;l;4
4.4.1 Ph ươ ng trình h ồ i quy độ s ụ t c ủ a bê tông
Các hệ số tính toán được biểu diễn trong bảng sau:
Bảng 4.5 kết quả tính toán kiểm tra các hệ số và tính tương hợp mô hình j 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 bj 176.26 41.48 -58.52 43.98 -13.05 -18.73 -17.84 10.63 18.13 10.63 28.13
S bj 0.628 0.732 0.732 0.732 0.537 0.537 0.537 0.968 0.968 0.968 0.968 t bj 280.55 56.68 79.95 60.09 24.30 34.88 33.21 10.97 18.72 10.97 29.05 nhận nhận nhận nhận nhận nhận nhận nhận nhận nhận nhận
Kiểm tra tính tương hợp của mô hình:
Phương sai dư: S 2 d = 300.58/(19-11) = 37.57 Phương sai lặp: S ll 2 = 7.5
Trị số tiêu chuẩn Fisher: F= S d 2 / S ll 2 = (37.57) / (7.5) = 5.01 Tra bảng F 0.05;11;4 = 5.94 > 5.01 nên mô hình tương hợp Tóm lại phương trình hồi quy có dạng: y6.26 + 41.48 X 1 - 58.52 X 2 + 43.98 X 3 -13.05 X 1 2 - 18.73 X 2 2 -17.84 X 3 2 +10.63 X 1 X 2 + 18.13 X 1 X 3 + 10.63 X 2 X 3 + 28.13 X 1 X 2 X 3 (4.4)
4.4.2 Ph ươ ng trình h ồ i quy c ườ ng độ bê tông sau 28 ngày
Các hệ số tính toán được biểu diễn trong bảng sau:
Bảng 4.6 kết quả tính toán kiểm tra các hệ số và tính tương hợp mô hình j 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 bj 40.429 -6.103 -1.153 3.974 0.968 0.245 -0.220 -0.260 -1.008 0.293 -0.432
S bj 0.331 0.386 0.386 0.386 0.284 0.284 0.284 0.510 0.510 0.510 0.510 t bj 122.078 15.812 2.988 10.296 3.414 0.864 0.774 0.509 1.974 0.573 0.847 nhận nhận nhận nhận nhận loại loại loại loại loại loại Kiểm tra tính tương hợp của mô hình:
Phương sai dư: S 2 d = 63.76/(19-5) = 4.55 Phương sai lặp: S ll 2 = 2.084
Trị số tiêu chuẩn Fisher: F= S d 2 / S ll 2 = (4.55) / (2.84) = 2.19 Tra bảng F 0.05;5;4 = 6.26 > 2.19 nên mô hình tương hợp Tóm lại phương trình hồi quy có dạng: y = 40.429 - 6.103 X 1 - 1.153 X 2 + 3.974 X3 +0.968 X 1 2 (4.5)
Nghiên cứu ảnh hưởng của các nhân tố đến độ sụt bê tông trên cơ sở phân tích mô hình thực nghiệm 84 1 Ảnh hưởng của tỷ lệ N/X và mức ngậm cát C/(C+Đ) tới độ sụt
mô hình thực nghiệm Để khảo sát ảnh hưởng của các nhân tố X1, X2, X3 đến độ sụt bê tông ta lần lượt cố định các biến mã X1=0, X2 = 0, X3= 0= const
4.5.1 Ả nh h ưở ng c ủ a t ỷ l ệ N/X và m ứ c ng ậ m cát C/(C+ Đ ) t ớ i độ s ụ t
Khi ta cố định hệ số dư vữa K d (X3) tại tâm kế hoạch (X3= 0) quy luật ảnh hưởng của X1 và X2 tới độ sụt bê tông được thể hiện trên hình 4.2, hình 4.3
Hình 4.2 ảnh hưởng của N/X (X1) và C/(C+Đ)- X2 đến độ sụt
Hình 4.3 đường đồng mức của hàm mục tiêu độ sụt
Trong khoảng khảo sát độ sụt của hỗn hợp bê tông phụ thuộc rất lớn vào tỷ lệ N/X và mức ngậm cát C/(C+Đ) Độ sụt hỗn hợp bê tông tỷ lệ thuận với tỷ lệ N/X và tỷ lệ nghịch với mức ngậm cát Độ sụt đạt cực trị 225 mm khi (X1= 0.9; X2= -1.5), khi X1 >0.9 và X2