Khảo sát ảnh hưởng của đá vôi đến tính chất xi măng và vữa

ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP MỤC LỤC MỤC LỤC 1 I. MỞ ĐẦU 2 II. TỔNG QUAN 3 II.1. Tình hình nghiên cứu về phụ gia đá vôi cho xi măng Poúclăng 3 II.2. Cơ sở khoa học 4 II.2.1. Quá trình hydrat và đóng rắn của xi măng Poúclăng 4 II.2.2. Phụ gia và tác động của phụ gia đến quá trình hydrat của xi măng Poúclăng 18 II.2.3. Quá trình hydrat và đóng rắn của xi măng Poúclăng khi có phụ gia đá vôi 20 II.3. Phạm vi và mục đích của đề tài 24 II.3.1. Ảnh hưởng đá vôi đến tính chất của xi măng Poúclăng 24 II.3.2. Phạm vi và mục đích của đề tài 26 III. THỰC NGHIỆM 27 III.1. Nguyên liệu dùng cho nghiên cứu 27 III.2. Phương pháp thực nghiệm 28 III.2.1. Xác định độ mịn của xi măng 28 III.2.2. Xác định lượng nước tiêu chuẩn và thời gian đông kết 29 III.2.3. Xác định độ bền nén của đá xi măng 29 III.2.4.Phương pháp nhiễu xạ Rơnghen 31 III.3. Kết quả và thảo luận 33 III.3.1. Một số tính chất của xi măng có pha đá vôi 33 III.3.2. Độ bền nộn đỏ xi măng 37 IV. KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 46 Tài liệu tham khảo 47 Phụ lục 49 – 1 – ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP I. MỞ ĐẦU. Nền kinh tế phát triển thúc đẩy yêu cầu xây dựng cơ bản cũng như xây dựng dân dụng, do đó nhu cầu về vật liệu xây dựng nói chung và xi măng nói riêng ngày càng tăng. Thỏa mãn nhu cầu của thị trường, Tổng công ty xi măng Việt Nam đó cú cỏc giải pháp như: +Xây dựng nhà máy mới để tăng sản lượng clinke và làm tăng sản lượng xi măng. +Pha thêm phụ gia đề tăng sản lượng xi măng nhưng không tăng sản lượng clinke. +Nhập xi măng .v .v. Vấn đề xây dựng nhà máy xi măng mới thường đòi hỏi chi phí lớn, phải phù hợp với qui hoạch phát triển của nghành và không giải quyết ngay nhu cầu cấp bách lượng xi măng lúc đó. Tuy nhiên, giải pháp này thỏa mãn triệt để nhu cầu của thị trường. Giải pháp thứ ba thỏa mãn nhanh chóng nhu cầu của thị trường và nhiều khi phải sử dụng để hạ cơn sốt xi măng. Pha phụ gia là phương án khá mềm dẻo để đáp ứng nhu cầu của thị trường. Giải pháp này tăng sản lượng xi măng mà không cần tăng sản lượng clinke do đó giảm chi phí sản xuất tăng lợi nhuận. Nhưng vấn đề đặt ra là chọn loại nguyên liệu gì, pha với hàm lượng bao nhiêu để vẫn đảm bảo tính chất của xi măng đồng thời tối ưu hóa được lợi nhuận. Ở Việt Nam, đá vôi đã được sử dụng để làm phụ gia cho xi măng do đây là nguồn nguyên liệu rẻ và có trữ lượng lớn. Nhưng đá vôi được dùng chỉ với vai trò là cốt liệu mịn và với hàm lượng thấp. Hơn nữa cơ chế tác động của phụ gia đá vôi đến quá trình hydrat và đóng rắn của xi măng chưa được nghiên cứu đầy đủ. Xuất phát từ tình hình đó, được sự giúp đỡ của TS.Tạ Ngọc Dũng và KS.Nguyễn Mạnh Tường tôi đã thực hiện đề tài: Khảo sát ảnh hưởng của đá vôi đến tính chất xi măng và vữa. – 2 – ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP II. TỔNG QUAN. II.1. Tình hình nghiên cứu về phụ gia đá vôi cho xi măng Poúclăng. Đá vôi đã được biết đến như một loại nguyên liệu để sản xuất chất kết dính nói chung và xi măng nói riêng. Ngoài ra, đá vôi còn được sử dụng làm phụ gia cho xi măng. Trước đây, người ta cho rằng đá vôi chỉ thuần túy là một loại phụ gia đầy, nhưng các nghiên cứu sau này đưa ra kết luận: Đá vôi không chỉ đóng vai trò là một loại cốt liệu mịn mà nú cũn tương tác hóa học trong quá trình hydrat của xi măng - [1,8,9,10]. Việc sử dụng đá vôi làm phụ gia cho xi măng đã được tiến hành ở nhiều nơi như: Chõu õu đó ban hành tiêu chuẩn EN-197, HyLạp công bố các nghiên cứu về vấn đề này - [10] và gần đây E.Sakai và M.Daimon - trong báo cáo về ứng dụng của bột đá vôi - đã chỉ ra cơ chế tương tác của đá vôi đến quá trình hydrart của xi măng Poúclăng - [8,9]. Ở Việt Nam, đá vôi được sử dụng chủ yếu làm nguyên liệu sản xuất chất kết dính và cũng được sử dụng làm phụ gia nhưng với vai trò như một loại phụ gia đầy. Như Công ty xi măng Hoàng Thạch sử dụng đá đen - một loại đá vôi ít cacbonat ( khoảng 20% ) - làm phụ gia đầy; Công ty xi măng Nghi Sơn sử dụng đá vôi làm phụ gia với hàm lượng thấp - khoảng 5%. Và chưa có báo cáo khoa học nào đi sâu nghiên cứu về tác động của đá vôi như một phụ gia khoáng hoạt tính. Hơn nữa, nguồn đá vôi rất phong phú ở Việt Nam. Khi pha phụ gia đá vôi vào trong xi măng làm tăng sản lượng xi măng. Qua đó cho thấy vấn đề sử dụng đá vôi làm phụ gia cho xi măng cần phải được tiếp tục nghiên cứu trong điều kiện cụ thể ở Việt Nam. – 3 – ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP II.2. Cơ sở khoa học. II.2.1. Quá trình hydrat và đóng rắn của xi măng Poúclăng. 1. Các khái niệm chung. Xi măng Poúclăng là sản phẩm nghiền mịn của Clanhke ximăng Poolăng với một lượng thạch cao cần thiết để điều chỉnh thời gian đông kết. Clinke xi măng Poolăng là sản phẩm nung đến kết khối của hỗn hợp phối liệu có đủ thành phần cần thiết để tạo thành khoáng silicatcanxi có độ bazơ cao. Clinke xi măng là hệ phức tạp và chứa 4 khoỏng chớnh: Alit, Belit, Aluminatcanxi và Alumoferitcanxi. Theo viện sĩ P.A.Rebinder và các cộng sự của ông V.B.Ratinov, A.F.Polak và A.E.Seikin quá trình hydrat hoá và đóng rắn gây nên bởi sự hoà tan ban đầu và sau đó là sự tách ra khỏi dung dịch quỏ bóo hoà các hợp chất bền nhiệt động trong điều kiện này theo cơ chế kết tinh. 2. Quá trình hydrat hóa của cỏc khoỏng clanhke. Xét về bản chất hóa học, quá trình hydrat húa cỏc khoỏng clinke đều thuộc hệ phản ứng dị thể Rắn - Lỏng, do đó cơ chế phản ứng có nhiều điểm giống nhau. Quá trình hydrat có thể chia thành các giai đoạn: (1).Giai đoạn đầu: Hạt rắn ngay lập tức bị hút vào pha lỏng và xảy ra phản ứng theo cơ chế hòa tan, tạo thành lớp sản phẩm trung gian. (2). Giai đoạn cảm ứng: Lớp sản phẩm hydrat bao phủ trên bề mặt hạt khoáng và hình thành lớp vỏ ngăn cản sự tiếp xúc trực tiếp của hạt khoáng với nước và làm giảm tốc độ phản ứng. – 4 – ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP (3). Giai đoạn tăng tốc: Tại lớp sản phẩm , xảy ra quá trình kết tinh và đến thời điểm lớp vỏ bị phá vỡ và các hạt khoáng lại tiếp xúc trực tiếp với nước do đó tốc độ phản ứng tăng nhanh. Sản phẩm hydrat tạo ra không bao phủ bề mặt hạt khoáng mà là nguồn chất nuụi cỏc tinh thể. (4). Giai đoạn giảm tốc: Khi các tinh thể phát triển đến một giới hạn xác định (đủ lớn) chúng liên kết hình thành lớp vỏ mới và làm giảm dần tốc độ phản ứng. Khi đó phản ứng chuyển từ cơ chế hòa tan sang một cơ chế mới - cơ chế Tụ-pụ. Tốc độ phản ứng phụ thuộc vào tốc độ khuếch tán qua lớp sản phẩm hydrat. Tùy theo thành phần hóa của cỏc khoỏng, điều kiện phản ứng mà các sản phẩm hydrat có thành phần và cấu trúc khác nhau Mặt khác quá trình hydrat hóa của hạt khoáng thực tế phải xét đến kích thước của nó. Nếu hạt khoỏng cú kích thước đủ nhỏ thì quá trình thủy hóa thậm chí kết thúc ở giai đoạn thứ nhất. Các nghiên cứu [11-13] cho thấy 1 hạt xi măng sau 28 ngày chỉ hydrat với bề dày 4àm và sau một năm là 8àm, vì vậy có thể thấy rằng với hạt xi măng có kích thước >16àm sẽ không thủy hóa hoàn toàn sau một năm. Chiều sõu lớp thuỷ hoá và lượng nhiệt toả ra khi hydrat các khoáng xi măng là những yếu tố phản ánh động học hydrat của các khoáng xi măng. Bảng 2.1: Sự phụ thuộc độ sâu hydrat húa cỏc khoỏng clinke theo thời gian [µm]. Khoáng 3 ngày 7 ngày 28 ngày 3 tháng 6 tháng C 3 S 3.5 4.7 7.9 14.5 15.0 C 2 S 0.6 0.9 1.0 2.6 2.7 C 3 A 10.7 10.4 11.2 13.5 14.5 C 3 AF 7.7 8.0 8.4 12.2 13.2 a.Nhúm khoáng silicat. – 5 – ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP Khoáng silicat gồm có alit và belit - là các dung dịch rắn trên nền tương ứng của khoáng C 3 S và C 2 S. Xét một cách tổng thể cơ chế phản ứng của cỏc khoỏng silicat có nhiều điểm tương đồng. Quá trình hydrat của khoáng C 3 S chia thành 5 giai đoạn - như hình 2.1. (I). Các phản ứng ban đầu. (II). Thời kỳ cảm ứng. (III). Thời kỳ tăng tốc. (IV). Thời kỳ giảm tốc. (V). Thời kỳ phát triển chậm. Hình 2.1: Mô tả quá trình thủy hóa khoáng C 3 S. Thời kỳ (I) là giai đoạn hydrat hoá bề mặt C 3 S, tốc độ của giai đoạn này diễn ra rất nhanh; phụ thuộc vào nhiều yếu tố như độ mịn, lượng tạp chất(Khuyết tật), tỷ lệ N/XM. Giai đoạn này tương ứng với pic tỏa nhiệt mạnh ở ngay mấy phút đầu. Dung dịch ngay lập tức bão hòa các ion: Ca 2+ , Si 4+ . Thời kỳ (II) là giai đoạn hình thành lớp sản phẩm gel CSH, lớp này bao phủ bề mặt của hạt C 3 S và làm đình trệ quá trình phản ứng. Đồng thời quá trình phản ứng của C 3 S với nước giải phóng ra Ca(OH) 2 - cũng là tác nhân làm đình trệ quá trình phản ứng. Lớp bao phủ này có cấu trúc vô định hình, được hình thành và tồn tại trong thời gian ngắn sau đó bị phá huỷ và chuyển sang dạng mới xốp hơn không cản quá trình hydrat hoá nữa, bắt – 6 – ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP đầu giai đoạn tăng tốc. Theo Taylor -[12]- sự hình thành của lớp màng này là một quá trình hoà tan và kết tủa. Các cation Ca 2+ và Si 4+ trên bề mặt C 3 S di chuyển và dung dịch, kết hợp với anion OH - phõn ly từ nước tạo thành C-S-H và CH vô định hình. Cấu trúc của lớp này không ngừng biến đổi theo thời gian, cũn CH kết tinh đạt đến một kích thước xác định và tới thời điểm nào đó, lớp màng này không cũn tác dụng ngăn cản sự di chuyển của các ion. Thời kỳ (III) thấy gia tăng sự toả nhiệt rất mạnh đồng thời với sự gia tăng lớn nồng độ Ca 2+ trong dung dịch, đây là bằng chứng về khả năng hoà tan của C 3 S - Cơ chế phản ứng hoà tan. Khi dung dịch đạt trạng thái bão hoà Ca 2+ và OH - làm cho Ca(OH) 2 kết tủa nhiều và làm tăng trở lực khuếch tán của Ca 2+ và Si 4+ từ hạt C 3 S ra ngoài do lớp sản phẩm được bồi đắp dày nờn trờn bề mặt hạt khoáng. Tốc độ quá trình hydrat giảm dần và bắt đầu giai đoạn giảm tốc. Thời kỳ (IV) tương ứng với giai đoạn tốc độ toả nhiệt giảm. Đối với các hạt C 3 S nhỏ, quá trình hydrat hoá có thể kết thúc trước khi bắt đầu giai đoạn giảm tốc theo cơ chế hoà tan. Với các hạt C 3 S lớn, phần còn lại của lượng chưa phản ứng được thay thế dần dần bởi C-S-H hướngdần vào bên trong. Điều này cho thấy rằng ở thời kỳ (IV), song song với việc giảm dần cường độ phản ứng theo cơ chế hoà tan thỡ cú một cơ chế phản ứng khác được hình thành - Người ta gọi cơ chế phản ứng này là cơ chế Tụ-pụ. Cỏc phần tử tham gia phản ứng không đi vào dung dịch mà sẽ dịch chuyển và kết hợp với nhau trong lòng hạt C 3 S để hình thành sản phẩm hydrat. Quá trình này phụ thuộc vào khả năng sắp xếp lại cấu trúc của sản phẩm phản ứng bên ngoài. Cường độ phản ứng theo cơ chế Tụ-pụ thấp hơn nhiều theo cơ chế hoà tan, điều này thể hiện qua mức toả nhiệt thấp hơn. – 7 – ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP Thời kỳ (V) các phần C 3 S tiếp tục phản ứng theo cơ chế Tụ-pụ và hình thành các sản phẩm hydrat. Quá trình này sẽ chậm dần và có thể dừng hẳn sau 1 năm. Quá trình hydrat húa khoỏng C 3 S là sự tổ hợp các phản ứng của vô số các hạt khoỏng riờng - cú kích thước khác nhau - trong một môi trường thủy hóa chung - luụn cú sự thay đổi nồng độ của các ion. 1-Hạt C 3 S chưa phản ứng. 2-Hydrat ban đầu C 3 SH x . 3-Các hydrosilicatcanxi thứ sinh kết tinh mịn( Sản phẩm bên trong ). 4-Các hydrasilicatcanxi thứ 3 kết tinh rõ hơn ( Sản phẩm bên ngoài ). 5-Các tinh thể to riêng biệt, tinh thể dạng nhánh cây. Hình 2.2: Mô tả phản ứng của nước và hạt C 3 S. Tuy xét một cách tổng thể quá trình hydrat hóa của cỏc khoỏng silicat có nhiều điểm giống nhau nhưng giữa chỳng cú những điểm đặc trưng. Đặc trưng Khoáng C 3 S Khoáng C 2 S 1.Tốc độ hydrat hóa Nhanh; Khi tỷ lệ N/K =0.4ữ0.7, ở điều kiện thường phản ứng kết thúc sau 1ữ1.5 năm. Chậm; Khi tỷ lệ N/K = 0.7, ở điều kện thường sau vài năm phản ứng chỉ đạt 85% 2.Tỷ lệ CaO/SiO 2 trong sản phẩm trung gian Cao, xấp xỉ 3 Thấp, xấp xỉ 2 – 8 – ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP Đặc trưng Khoáng C 3 S Khoáng C 2 S 3.Lượng Ca(OH) 2 thoát ra Nhiều Ít 4.Phản ứng chung ( ở điều kiện thường ) 2C 3 S+6H→C 3 S 2 H 3 +3CH 2C 2 S+4H→C 3 S 2 H 3 +CH b.Khoỏng aluminat. Phản ứng hydrat hóa của C 3 A diễn ra rất nhanh và sau 1 ngày đã đạt đến 70 ữ 80%, do ngay khi hạt C 3 A tiếp xúc với nước tạo thành các lớp vỏ tơi xốp từ các tinh thể hyadroaluminat dạng tấm - không thể ngăn cản được sự thẩm thấu của phân tử nước vào phần hạt chưa hydrat. Thành phần của các sản phẩm hydrat hóa C 3 A nhạy cảm với sự thay đổi của điều kiện phản ứng như nhiệt độ, bản chất và nồng độ của các muối hòa tan trong nước nhào trộn v.v Sản phẩm quá trình hydrat hóa của C 3 A là cân bằng của hệ C-A-H. Nhiều ý kiến thống nhất rằng sản phẩm của hệ này, ở điều kiện thường có dạng C 4 AH 12ữ19 và các vi tinh AH 3 (Chính lượng keo này gõy lờn hiện tượng đông kết tức thời) . Trong dóy cỏc tinh thể dạng tấm lục giác C 4 AH 12ữ19 đa số là không bền nhiệt động nó sẽ dần chuyển về dạng bền vững hơn là C 3 AH 6 - cấu trúc dạng khối lập phương - làm tăng độ xốp lớp sản phẩm, do đó làm tăng tốc độ phản ứng hydrat hóa của C 3 A. Phương trình mô tả quá trình thủy hóa của C 3 A là: C 3 A + H → C 4 AH 12ữ19 → C 3 AH 6 . – 9 – ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP Hình 2.3: Mô tả quá trình hydrat của C 3 A. Hình 2.4: Mô tả quá trình hydrat của C 3 A khi có thạch cao. Khi có mặt thạch cao tốc độ hydrat của C 3 A chậm hơn khi thủy hóa trong điều kiện thường ở cùng thời điểm, thể hiện qua lượng nhiệt tỏa ra trong quá trình thủy hóa [Hình 2.3,2.4]. Quá trình thủy hóa của C 3 A khi có thạch cao kéo dài hơn và đõy chớnh là tác động của điều chỉnh thời gian đông kết của thạch cao. Cơ chế điều chỉnh thời gian đông kết của thạch cao được mô tả ở hình 2.4. Phản ứng của thạch cao với aluminatcanxi tạo thành các hydrosunfoaluminatcanxi . C 3 A + CaSO 4 .2H 2 O + H → C 3 A.3CaSO 4 .31H (Ettringit). C 3 A + CaSO 4 .2H 2 O + H → C 3 A.CaSO 4 .12H (Monosunfat). Ngoài ra, các hydroaluminatcanxi có thể tương tác với thạch cao tạo thành các hydrosunfoaluminatcanxi theo các phản ứng sau: C 3 AH 12 + CaSO 4 .2H 2 O → C 3 A.CaSO 4 .12H. C 4 AH 13 + CaSO 4 .2H 2 O → C 3 A.3CaSO 4 .31H. – 10 – [...]... định II.3 Phạm vi và mục đích của đề tài II.3.1 Ảnh hưởng đá vôi đến tính chất của xi măng Poúclăng Đá vôi ảnh hưởng đến tính chất xi măng và vữa không chỉ với vai trò như là một cốt liệu mịn, mà nú cũn cú tương tác hoá học với các thành phần khoáng trong Clinke và các sản phẩm của quá trình hydrat hoá Do đó có thể thấy các yếu tố cơ bản của đá vôi ảnh hưởng đến tính chất xi măng và vữa gồm có: Hàm lượng... cỡ hạt của bột đá vôi ảnh hưởng đến khả năng điền đầy cấu trúc đá xi măng và ảnh hưởng trực tiếp đến sự phát triển cường độ đá xi măng Theo [8] yếu tố hình dạng hạt có ảnh hưởng đến độ linh động của hồ xi măng Với bột đá vôi có dạng hình cầu chiếm đa số thì linh động của hồ tăng Hàm lượng CaCO3 ảnh hưởng đồng thời đến mức độ phản ứng của bột đá vôi cũng như khả năng điền đầy cấu trúc đá xi măng – 25... điền đầy cấu trúc đá xi măng – 25 – ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP II.3.2 Phạm vi và mục đích của đề tài Với đề tài được giao là: khảo sát ảnh hưởng của đá vôi đến tính chất xi măng và vữa, trong điều kiện thực nghiệm thực tế và thời gian có hạn tôi chỉ tập chung khảo sát ảnh hưởng của hàm lượng bột đá vôi đến tính chất xi măng và vữa, các yếu tố ảnh hưởng khác được cố định để trỏnh cỏc tác động chồng chéo – 26 – ĐỒ... pha đá vôi 1 Độ mịn Kết quả xác định độ mịn của xi măng khi pha đá vôi theo bảng 3.4 Bảng 3.4: Độ mịn của các mẫu xi măng Hàm lượng đá vôi, [%] 0 5 10 15 20 25 1 2 3.6 8 Sót sàng,[%] 0.2 3 30 35 8.4 9 Hình 3.1: Ảnh hưởng hàm lượng đá vôi đến độ mịn mẫu xi măng Độ mịn của các mẫu xi măng đá vôi giảm dần khi tăng lượng đá vôi pha vào Do phương pháp chuẩn bị mẫu, bột đá vôi có độ mịn thấp hơn xi măng. .. trình phát triển và hoàn thiện cấu trúc đá xi măng đá vôi cũng tương tự như xi măng Poóclăng nhưng có các điểm khác biệt ảnh hưởng đến tớnh chất độ bền nén của đá xi măng Theo [10], xi măng đá vôi cho – 23 – ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP cường độ nén cao ở ngày tuổi sớm và về lõu dài cường độ nén hầu như không phát triển thêm Cường độ của đá xi măng đá vôi những ngày tuổi sớm cao hơn cường độ đá xi măng gốc vì : +Cacbonat... gốc nên khi pha vào lượng sót sàng của xi măng đá vôi bằng lượng sót sàng của xi măng gốc cộng với lượng sót sàng của bột đá vôi Độ mịn của xi măng đá vôi không giảm tuyến tớnh khi tăng lượng đá vôi pha vào Vì khi sàng bột đá vôi rất dễ dính bết lỗ sàng và co cụm với – 33 – ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP nhau tạo thành hạt đá vôi có kích thước to hơn vì vậy làm sai lệch kết quả đo Với lượng đá vôi pha vào thấp ( . hydrat và đóng rắn của xi măng Poúclăng khi có phụ gia đá vôi 20 II.3. Phạm vi và mục đích của đề tài 24 II.3.1. Ảnh hưởng đá vôi đến tính chất của xi măng Poúclăng 24 II.3.2. Phạm vi và mục. hình đó, được sự giúp đỡ của TS.Tạ Ngọc Dũng và KS.Nguyễn Mạnh Tường tôi đã thực hiện đề tài: Khảo sát ảnh hưởng của đá vôi đến tính chất xi măng và vữa. – 2 – ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP II. TỔNG QUAN. II.1 gia đá vôi cho xi măng Poúclăng. Đá vôi đã được biết đến như một loại nguyên liệu để sản xuất chất kết dính nói chung và xi măng nói riêng. Ngoài ra, đá vôi còn được sử dụng làm phụ gia cho xi măng. Trước