CHƯƠNG 4. CHẤT KẾT DÍNH VÔ CƠ ppsx

VD: CKD hỗn hợp, vôi thuỷ, xi măng Portland, …  CKDVC rắn trong thiết bị chưng áp: rắn chắc trong môi trường hơi nước bão hoà với nhiệt độ và áp suất phù hợp để tạo thành các sản phẩm

GVHD: NGUYỄN DUY HƯNG

Môn học: Vật liệu xây dựng

CHƯƠNG 4

CHẤT KẾT DÍNH VƠ CƠ

PHẦN 1 KHÁI NIỆM CHUNG

1 KHÁI NIỆM CHUNG

 Chất kết dính vô cơ (CKDVC) là loại vật liệu thường ở dạng bột mịn, khi nhào trộn với nước hoặc dung môi khác (dung dịch MgCl 2 , thuỷ tinh lỏng,…) sẽ tạo thành hồ dẻo, qua quá trình biến đổi hoá lý sẽ rắn chắc như đá.

 CKDVC thường được sử dụng để liên kết các hạt rời rạc như cát, đá dăm, sỏi để tạo thành một khối đồng nhất, vững chắc.

1 KHÁI NIỆM CHUNG

 Phân loại:

 CKDVC rắn trong không khí: sau khi trộn với nước

có thể rắn chắc và phát triển cường độ trong không khí VD: CaO, CaSO 4 0,5H 2 O, MgO, [Na 2 O.nSiO 2 ,

K 2 O.mSiO 2 với m, n = 2 – 3,5],…

 CKDVC rắn trong nước: có khả năng rắn chắc và

phát triển cường độ cả trong môi trường không khí và nước VD: CKD hỗn hợp, vôi thuỷ, xi măng Portland,

…

 CKDVC rắn trong thiết bị chưng áp: rắn chắc trong

môi trường hơi nước bão hoà (với nhiệt độ và áp suất phù hợp) để tạo thành các sản phẩm có cường độ VD: chất kết dính vôi-silic, vôi-tro,

PHẦN 2 CÁC CHẤT KẾT DÍNH VÔ CƠ RẮN TRONG KHÔNG KHÍ

2.1 THẠCH CAO XÂY DỰNG

2.1.1 Phương pháp chế tạo

 3 phương pháp:

 Đá thạch cao → nung → nghiền mịn → thạch cao XD

 Đá thạch cao → nghiền mịn → nung → thạch cao XD

 Đá thạch cao → (nghiền + nung) → thạch cao XD

CaSO 4 2H 2 O → CaSO 4 0,5H 2 O + 1,5H 2 O

 Trước khi chế tạo, đá thạch cao được đập nhỏ:

 100 – 200mm đối với sản xuất thạch cao khan trong lò tunnel;

 10 – 20mm khi sx bằng lò quay

 < 2mm khi chế biến trong “nồi nấu”.

150 -170oC

2.1 THẠCH CAO XÂY DỰNG

2.1.2 Phân loại

 Theo công thức hoá học:

 Thạch cao xây dựng: CaSO 4 0,5H 2 O, cường độ thấp

 Thạch cao khan nước: CaSO 4

thạch)

2.1 THẠCH CAO XÂY DỰNG

2.1.2 Phân loại

A Phân loại theo công dụng

1 Thạch cao xây trát (CaSO4.0,5H2O):

 Được chế tạo bằng cách nung đá thạch cao thành thạch cao

 Sử dụng để làm vữa xây trát, làm khuôn trong công nghiệp gốm sứ,

2 Thạch cao đúc tượng (CaSO 4 0,5H 2 O):

 Được chế tạo từ đá thạch cao tinh khiết

2.1 THẠCH CAO XÂY DỰNG

2.1.2 Phân loại

A Phân loại theo công dụng

3 Thạch cao estrich (CaSO4 và CaO tự do):

 Đá thạch cao nung ở nhiệt độ cao (khoảng 1200oC) đến khi tách nước hoàn toàn

 Cường độ cao hơn CaSO 4 0,5H 2 O.

 Ứng dụng: lăn nền, xây trát ở những vị trí đặc biệt.

 Nung thạch cao trong không khí khô,

 Tinh thể hạt mịn, lượng nước tiêu chuẩn cao (60 –

65%), độ rỗng sản phẩm đóng rắn 40%, cường độ thấp.

2.1 THẠCH CAO XÂY DỰNG

2.1.2 Phân loại

B Phân loại theo dạng thù hình

2 Thạch cao khan CaSO4

 Anhydrite III:

 Nung đá thạch cao ở nhiệt độ 180 - 240 o C,

 Trong không khí ẩm dễ chuyển về CaSO 4 0,5H 2 O.

2.1 THẠCH CAO XÂY DỰNG

2.1.3 Quá trình rắn chắc

 Ban đầu, khi nhào trộn với nước, CaSO 4 0,5H 2 O trở thành một loại vữa dẻo có tính linh động cao

(tính dẻo)

 Quá trình ninh kết: các biến đổi hoá lý phức tạp làm hỗn hợp mất dần tính dẻo

 Quá trình rắn chắc: hỗn hợp dần dần đặc lại, kết tinh, rắn chắc, cường độ phát triển dần

 Phản ứng thuỷ hoá của thạch cao:

CaSO4.0,5H2O + 1,5H2O → CaSO4.2H2O

 Thời kỳ ninh kết (hoá keo):

 CaSO 4 2H 2 O mới sinh không thể tan thêm mà tồn tại ở thể keo hạt rất nhỏ, ngưng lắng dần

 Vữa thạch cao mất tính dẻo nhưng chưa có cường độ.

 Thời kỳ rắn chắc:

 Tinh thể xuất hiện, phát triển dần lên, liên kết chặt chẽ với nhau làm cho cường độ phát triển

 Quá trình rắn chắc, thạch cao nở 1% thể tích.

2.1 THẠCH CAO XÂY DỰNG

2.1.4 Tính chất của thạch cao xây dựng

1 Thời gian ninh kết

 Được xác định bằng thiết bị Vicat.

 Thời gian bắt đầu ninh kết: ≥ 6 phút

 Thời gian ninh kết xong ≤ 30 phút

 Có thể sử dụng phụ gia để điều chỉnh thời gian ninh kết:

 Làm giảm thời gian ninh kết: Na 2 SO 4 , NaCl,…

 Làm tăng thời gian ninh kết: vôi

2.1 THẠCH CAO XÂY DỰNG

2.1.4 Tính chất của thạch cao xây dựng

2 Cường độ

 Xác định bằng thí nghiệm ép mẫu 7,07x7,07x7,07 cm hay 4x4x16 cm

 Cường độ được xác định sau 1 giờ 30 phút trộn thạch cao với nước.

 Tác nhân tạo cường độ cho thạch cao:

 Sự kết tinh của thạch cao 2 phân tử nước

 Sự bay hơi nước tự do làm các tinh thể CaSO 4 2H 2 O gắn kết với nhau chắc hơn.

2.1 THẠCH CAO XÂY DỰNG

2.1.4 Tính chất của thạch cao xây dựng

2 Cường độ

Yêu cầu:

 Trong điều kiện ẩm ướt bình thường:

 Thạch cao loại 1: R > 4,5 Mpa

 Thạch cao loại 2: R > 3,5 Mpa

 Trong điều kiện đã được sấy khô:

 Thạch cao loại 1: R > 10 Mpa

 Thạch cao loại 2: R > 7,5 Mpa

2.1 THẠCH CAO XÂY DỰNG

2.1.4 Tính chất của thạch cao xây dựng

3 Độ mịn và lượng nước nhào trộn

 Độ mịn càng cao thì cường độ càng cao

 Lượng nước nhào trộn lớn, cường độ giảm

 Ở môi trường nhiệt độ và độ ẩm lớn, cường độ không phát triển

 Môi trường ngập nước, thạch cao bị phá hoại.

4 Khối lượng riêng:

γa = 2,6 – 2,7 g/cm3

5 Khối lượng thể tích:

γ0 = 0,8 – 1,0 g/cm3

2.2 VÔI KHÔNG KHÍ VÀ VÔI TÔI

2.2.1 Nguyên liệu và chế tạo

 Nguyên liệu:

 Đá vôi calcite (khoáng chủ yếu là CaCO 3 )

 Đá phấn, đá vôi vỏ sò với yêu cầu hàm lượng tạp chất sét (Al 2 O 3 , SiO 2 , Fe 2 O 3 , ) nhỏ hơn 6%.

 Phương pháp chủ yếu chế tạo vôi là nung đá vôi

CaCO 3 ↔ CaO + CO 2↑ – Q (Q = 42,5 kcal/phân tử gam)

2.2 VÔI KHÔNG KHÍ VÀ VÔI TÔI

2.2.1 Nguyên liệu và chế tạo

 Quá trình nung có thể xảy ra các trường hợp sau:

 Nung non lửa:

 Lớp bên ngoài của viên đá đã “chín” thành vôi trong khi lõi bên trong còn sống

 Loại vôi này hàm lượng CaO thấp, khi đem tôi bị

sượng, kém dẻo, chất lượng kém.

 Nung già lửa:

 Nhiệt độ nung quá cao, các tạp chất sét nóng chảy bọc quanh hạt vôi thành một màng keo cứng bên ngoài

 Vôi sẽ khó tôi, nhiều hạt sượng, kém dẻo, dễ gây nứt.

2.2 VÔI KHÔNG KHÍ VÀ VÔI TÔI

2.2.1 Nguyên liệu và chế tạo

 Nhiệt độ nung tùy thuộc vào:

 Thời gian nung

 Vôi không khí có thể được sử dụng theo 2 cách:

 Nghiền mịn thành dạng bột, sử dụng như xi măng

 Tôi thành vôi tôi, sử dụng rộng rãi trong xây dựng.

2.2 VÔI KHÔNG KHÍ VÀ VÔI TÔI

2.2.2 Quá trình tôi vôi

 Cho CaO tác dụng với nước, xảy ra phản ứng toả nhiệt:

CaO + H2O ↔ Ca(OH)2

+ 15,5 kCal/phân tử gam (65,5 kJ)

≈+277 kCal/kg CaO (1160 kJ/kg CaO)

 Tôi vôi toả nhiệt mạnh, t0C đến 400oC → để thúc đẩy phản ứng theo chiều thuận cần giảm nhiệt độ của

vôi

 Sau khi tôi, thể tích tăng 1,5 – 3,5 lần so với thể tích vôi ban đầu.

2.2 VÔI KHÔNG KHÍ VÀ VÔI TÔI

2.2.2 Quá trình tôi vôi

 Các yếu tố ảnh hưởng đến quá trình tôi vôi:

 Kích thước cục vôi

 Nhiệt độ môi trường xung quanh

 Thành phần hoá học của vôi

 Nhiệt độ nung vôi

2.2 VÔI KHÔNG KHÍ VÀ VÔI TÔI

2.2.2 Quá trình tôi vôi

Các sản phẩm thu được của quá trình tôi vôi: 3 loại

 Vôi bột: Ca(OH)2

 Lý thuyết: H 2 O = 32,14% CaO

 Thực tế H 2 O = 70%CaO

 Vôi bột cũng có thể được tạo thành do vôi sống tự hút

ẩm trong không khí và tả ra

 Sử dụng nhiều trong y học và nông nghiệp.

 Khối lượng riêng γ a = 2,1 g/cm 3 ,

 Khối lượng thể tích: γ 0 = 0,4 – 0,5 g/cm 3

2.2 VÔI KHÔNG KHÍ VÀ VÔI TÔI

2.2.2 Quá trình tôi vôi

Các sản phẩm thu được của quá trình tôi vôi: 3 loại

 Lượng nước lớn hơn vôi sữa nữa, ở dạng dung dịch.

 Sử dụng chủ yếu để quét tường.

 Nếu vôi có độ hoạt tính cao thì trung bình 1 kg CaO sẽ được 5 lit vôi sữa.

2.2 VÔI KHÔNG KHÍ VÀ VÔI TÔI

2.2.2 Quá trình tôi vôi

Lưu ý:

 Nếu vôi có độ hoạt tính cao thì khi tôi phải cho đủ nước vào cùng một lúc để tránh hiện tượng sinh phản

ứng nghịch:

Ca(OH) 2 + CO 2 (không khí) → CaCO 3 + H 2 O

 Nếu vôi có độ hoạt tính thấp, cho nước vào từ từ để tránh hiện tượng “lạnh đột ngột” làm “sượng” sản

phẩm.

2.2 VÔI KHÔNG KHÍ VÀ VÔI TÔI

2.2.3 So sánh hai dạng sử dụng vôi

Bột vôi sống Vôi nhuyễn

Ưu

điểm

1 Không tốn thời gian tôi

2 Tận dụng được lượng nhiệt thoát

ra khi thủy hoá, thực hiện được một phần phản ứng silicate giữa vôi và cát:

CaO + SiO2 + H2O → CaO.SiO2.H2O

3 Cường độ vữa dùng bột vôi sống cao hơn dùng vôi nhuyễn, R ≥ 5 MPa

4 Tăng hiệu quả sử dụng nhờ quá trình nghiền giúp loại bỏ được các hạt sượng do non hay già lửa.

1 Chế tạo đơn giản hơn

2.2 VÔI KHÔNG KHÍ VÀ VÔI TÔI

3 Cường độ thấp,

Rn = 0,4-1 MPa

2.2 VÔI KHÔNG KHÍ VÀ VÔI TÔI

2.2.4 Các chỉ tiêu đánh giá chất lượng của vôi

1 Nhiệt độ tôi và tốc độ tôi

 Nhiệt độ tôi: là to cao nhất khi cho 10g bột vôi sống đã nghiền nhỏ (lọt sàng No 014) tác dụng 20 ml

nước ở 20oC

 Loại phát nhiều nhiệt: t otôi > 70 o C

 Loại phát ít nhiệt: t o tôi ≤ 70 o C

 Tốc độ tôi: thời gian (phút) từ khi bắt đầu đổ nước vào bình đến khi đạt được nhiệt độ tôi

 Vôi có tốc độ tôi nhanh: t tôi < 10 phút

 Vôi có tốc độ tôi vừa: t tôi < 20 phút

 Vôi có tốc độ tôi chậm: t tôi ≥ 20 phút

2.2 VÔI KHÔNG KHÍ VÀ VÔI TÔI

2.2.4 Các chỉ tiêu đánh giá chất lượng của vôi

2 Hàm lượng vôi nhuyễn do 1 kg vôi sống sinh ra

 200g vôi sống cục (5 – 10mm) cho vào bình 2 lit, đổ nước ngập 1 – 2cm để tôi vôi (có thể đun trên bếp

hoặc đèn cồn)

 Khi vôi sôi lên, nước bị hút cạn thì cho tiếp nước vào đến khi vôi tôi xong (trên mặt có váng mỏng).

 Tính thể tích vôi nhuyễn do 1 kg vôi cục sinh ra:

Độ hoạt tính Lượng vôi nhuyễn

(lit/kgCaO)

2.2 VÔI KHÔNG KHÍ VÀ VÔI TÔI

2.2.4 Các chỉ tiêu đánh giá chất lượng của vôi

3 Hàm lượng hạt sượng do 1 kg vôi sống sinh ra

 Vôi nhuyễn + nước → vôi sữa, lọc qua sàng No 063 (d = 0,63mm, 124 lỗ/cm2) đến khi nước lọc qua sàng

trong.

 Sấy khô hạt sượng (trên sàng) → để nguội trong bình hút ẩm → cân tỷ lệ hạt sượng từ 200g vôi sống

cục Dùng HCl 1% nhỏ vào hạt sượng để phân loại:

 Hạt sượng sủi bọt: non lửa

 Hạt sượng không sủi bọt: già lửa hoặc cát, đá lẫn vào

Độ hoạt tính Lượng hạt sượng (%)

2.2 VÔI KHÔNG KHÍ VÀ VÔI TÔI

2.2.4 Các chỉ tiêu đánh giá chất lượng của vôi

4 Xác định độ hoạt tính của vôi

 Là tổng hàm lượng CaO + MgO có trong vôi, tổng hàm lượng này càng cao, vôi có hoạt tính càng lớn.

 Sau 5 phút để yên, nếu có màu hồng xuất hiện, nhỏ tiếp

HCl 1N cho đến khi hoàn toàn mất màu.

2.2 VÔI KHÔNG KHÍ VÀ VÔI TÔI

2.2.4 Các chỉ tiêu đánh giá chất lượng của vôi

4 Xác định độ hoạt tính của vôi

 Độ hoạt tính được tính theo công thức:

 Trong đó:

 v: lượng dung dịch acide HCl 1N dùng chuẩn độ, ml

 g: khối lượng mẫu vôi thử, g

 K: hệ số điều chỉnh cho độ chuẩn của dung dịch acide HCl

 0,02804: lượng CaO tương ứng với 1cm 3 dung dịch HCl nhân với 100

% 100

02804 ,

0

)

%(

g

K

v Mg

2.2 VÔI KHÔNG KHÍ VÀ VÔI TÔI

2.2.4 Các chỉ tiêu đánh giá chất lượng của vôi

4 Xác định độ hoạt tính của vôi

5 Độ mịn yêu cầu của vôi bột và vôi sống

 Lượng sót trên sàng No 063 (124 lỗ/cm2) không lớn hơn 2%

 Lượng sót trên sàng No 008 (4900 lỗ/cm2) không lớn hơn 10%

Độ hoạt tính % (CaO + MgO)

2.2 VÔI KHÔNG KHÍ VÀ VÔI TÔI

2.2.5 Quá trình rắn chắc của vôi và vôi sống

1 Quá trình rắn chắc của vôi (vữa vôi)

 Trong không khí vữa vôi rắn chắc do ảnh hưởng đồng thời của 2 quá trình: kết tinh và carbonate hóa.

 Dạng kết tinh:

nền xây hút và do quá trình bay hơi,

dạng keo sang dạng kết tinh,

rắn chắc.

2.2 VÔI KHÔNG KHÍ VÀ VÔI TÔI

2.2.5 Quá trình rắn chắc của vôi và vôi sống

1 Quá trình rắn chắc của vôi (vữa vôi)

 Trong không khí vữa vôi rắn chắc do ảnh hưởng đồng thời của 2 quá trình: kết tinh và carbonate hóa.

 Dạng carbonate hóa: khi tiếp xúc với khí trời, Ca(OH) 2 phản ứng với CO 2 tạo thành CaCO 3 :

Ca(OH) 2 + CO 2 (không khí) → CaCO 3 + H 2 O + 20 kCal

Tinh thể CaCO 3 hình thành xen kẽ với các tinh thể

Ca(OH) 2 làm cho vữa đặc chắc

Phản ứng sinh ra ít nhiệt và tạo thêm nước đồng thời tốc

độ xảy ra rất chậm và hầu như không cảm thấy lượng nhiệt thoát ra.

2.2 VÔI KHÔNG KHÍ VÀ VÔI TÔI

2.2.5 Quá trình rắn chắc của vôi và vôi sống

2 Quá trình rắn chắc của bột vôi sống

 Vữa bột vôi sống rắn chắc theo các giai đoạn:

2.2 VÔI KHÔNG KHÍ VÀ VÔI TÔI

2.2.6 Công dụng và bảo quản

1 Công dụng:

 Chế tạo vữa xây, vữa trát, vữa trang trí, lớp bề mặt bảo vệ công trình,

 Công nghiệp sản xuất CKD hỗn hợp, vật liệu silicate.

2 Bảo quản:

 Bột vôi sống bảo quản trong bao kín hoặc các dụng cụ đặc biệt, kín

 Vôi tôi bảo quản trong các hố tôi vôi luôn ngập nước để tránh khả năng carbonate hóa.

2.2 VÔI KHÔNG KHÍ VÀ VÔI TÔI

2.2.6 Công dụng và bảo quản

2 Bảo quản:

 Không dự trữ bột vôi sống quá 1 tháng do quá trình hút ẩm và carbonate hóa liên tục xảy ra làm giảm

chất lượng vôi: CaO Ca(OH) 2 CaCO 3

 Sử dụng vôi nhuyễn đã được tôi và bảo quản trong hố tôi vôi tối thiểu 1 tháng (càng lâu càng tốt để loại

trừ ảnh hưởng của hạt sượng)

 Không vận chuyển vôi bột, vôi cục trong điều kiện mưa gió.

 Bảo quản trong kho khô ráo, sàn cách mặt đất và tường > 20cm.

PHẦN 3 CÁC CHẤT KẾT DÍNH VÔ CƠ RẮN TRONG NƯỚC

 Tạp chất sét phải phân bố đều trong đá vôi

 SiO 2 nằm dưới dạng oxit silic của kaolinit mà không

tồn tại dạng thạch anh.

3.1 VÔI THUỶ

3.1.2 Thành phần khoáng

 C 2 S, CA, C 2 F, CaO, MgO.

 Thành phần C 2 S, CA, C 2 F nhiều, khả năng rắn trong nước càng lớn

 Thành phần CaO, MgO nhiều thì vôi xấu nhưng dễ tôi.

3.1.3 Quá trình rắn chắc

 Hòa tan

 Hóa keo

 Kết tinh

 Mht = 1,7 – 4,5: vôi thủy có hoạt tính mạnh

 Mht = 4,5 – 9: vôi thủy có hoạt tính yếu

 Mẫu đúc được để rắn trong không khí từ 3-5 ngày (vôi mạnh) hoặc 1-2 tuần (vôi yếu) sau đó mới cho

tiếp xúc với nước.

3 2 3

Al SiO

CaO

M ht

+ +

=

3.1 VÔI THUỶ

3.2.1 Nguyên liệu

 Vôi rắn trong không khí + phụ gia thuỷ hoạt tính Gồm:

 3 – 15% khối lượng vôi

 70 – 80% khối lượng phụ gia

 5% khối lượng thạch cao

3.2 CHẤT KẾT DÍNH HỖN HỢP

Phụ gia thủy thiên nhiên

Phụ gia thủy nhân tạo

Nguồn gốc phún xuất

(núi lửa)

Nguồn gốc trầm tích

(cấu tạo vỏ trái đất)

Tro núi lửa, pouzolan

Tufs núi lửa

Tras

Đá bọt

Diatomite Trepen Opaka Khoáng sét

Đất sét nung non Phế thải Silic hoạt tính

Xỉ tro nhiên liệu Tro trấu

 Độ mịn: lượng sót trên sàng 4900 lỗ/cm2 không vượt quá 20%

 Thời gian bắt đầu ninh kết: 6 – 8 giờ

3.2 CHẤT KẾT DÍNH HỖN HỢP

3.3 XI MĂNG PORTLAND

3.3.1 Lịch sử phát triển ngành xi măng

3.3.2 Định nghĩa xi măng Portland

 Là CKD rắn trong nước và trong không khí được sản xuất bằng cách nung hỗn hợp đã nghiền mịn

của đá vôi (70 – 80%) và đất sét (20 – 25%) đến nhiệt độ kết khối thành clinker Sau đó nghiền clinker với một số phụ gia khác như:

 Đá thạch cao (3 – 5%) để điều chỉnh thời gian ninh kết cho xi măng

 Phụ gia vô cơ hoạt tính như đá pouzoland, diatomite, (<25%) để tăng tính bền nước cho xi măng.

 Phụ gia trơ như đá vôi, cát thạch anh (< 10%) để tăng sản lượng xi măng

3.3.3 Nguyên liệu chế tạo

1 Đá vôi:

 CaCO3 87 – 96% (CaO từ 49 – 54%)

 Để sản xuất 1 tấn clinker cần 1,3 tấn đá vôi

3.3 XI MĂNG PORTLAND

3.3.3 Nguyên liệu chế tạo

2 Đất sét:

 SiO2; Al2O3; Fe2O3 (7 – 10%), SO3 (< 1%), R2O (< 1%)

3.3 XI MĂNG PORTLAND

3.3.3 Nguyên liệu chế tạo

3 Xỉ quặng (quặng sắt):

 Chỉ cho vào khi đất sét thiếu %Fe2O3

 Yêu cầu %Fe 2 O 3 trong quặng sắt > 40%.

4 Đá thạch cao:

 Điều chỉnh thời gian ninh kết của xi măng

 Hàm lượng CaSO 4 2H 2 O trong đá thạch cao > 80%.

5 Phụ gia:

 Phụ gia hoạt tính (đá pouzoland, trépen,…)

 Phụ gia trơ (cát xay, bột đá,…) nhằm tăng sản lượng và cải thiện tính chất của xi măng

3.3 XI MĂNG PORTLAND

3.3.3 Nguyên liệu chế tạo

6 Nhiên liệu: rắn (than), lỏng (dầu), khí (metal, etal,…)

3.3 XI MĂNG PORTLAND