bài giảng vật liệu silicat xi măng poóc lăng

5 – Độ mịn bột XM:  XM phải có độ mịn hoặc diện tích bề mặt riêng đủ lớn để có tốc độ phản ứng hydrát hóa cần thiết tạo những khoáng cho XM cường độ.. b Đóng rắn: Sau khi ninh kết, khố

VẬT LIỆU SILICATE

PHẦN: XI MĂNG POÓC LĂNG

(PORLAND CEMENT)

GIỚI THIỆU CHUNG

 Chất kết dính (CKD) là những chất hoặc hợp

chất có khả năng tự rắn chắc, động thời liên kết một hệ khác (sợi hoặc hạt) thành khối vững chắc.

 Lực tương tác:

 Lực cơ học (ma sát),

 Lực hóa học (liên kết do phản ứng hóa học),

 Những liên kết lý học đặc biệt khác (lực hạt phân tán, lực Van-der Van, lực tĩnh điện, cảm ứng )

PHÂN LOẠI CKD VÔ CƠ

GIỚI THIỆU CHUNG

Xi măng Porland

là bột vô cơ có tính kết dính thủy lực, sản phẩm nghiền mịn của hỗn hơp clinker XMP và phụ gia thạch cao (3-5% kl clinker)

PC = PC clinker + gypsum (3-5%)

Xi măng hỗn hợp

là sản phẩm nghiền mịn của xi măng Porland và những phụ gia khác (phụ gia đầy, phụ gia hoạt tính, )

GIỚI THIỆU CHUNG

SƠ LƯỢC LỊCH SỬ CNSX XMP

 Những CKD ban đầu của con người là CKD hữu cơ

 CKD dùng xây dựng là các loại đất đá tự nhiên

 Ở châu Âu, những vết tích vật liệu được nung đầu tiên xuất hiện khoảng thế kỷ IV – III (T.C.N)

 Tên gọi xi măng (cement) xuất hiện đầu tiên có lẽ vào thế kỷ XVIII, vào năm 1702 tại Saint – Peterburg (Nga).

 Người đầu tiên đăng ký bằng phát minh về cách nung đá vôi và đất sét tới nóng chảy tạo clinker rồi nghiền lại thành XM và gọi nó là xi măng Poóc lăng, như tên gọi

hiện nay, là Joseph Aspdin (người Anh) vào năm 1824

CLINKER: SẢN PHẨM SAU KHI NUNG

Raw materials ⇒ grinding ⇒

mixing ⇒ raw meal ⇒ kiln

feed ⇒ firing 1450 0 C ⇒

cooling ⇒ clinker

THÀNH PHẦN PHA CLINKER XMP

Tính chất của clinker và XMP do thành phần pha (các loại khoáng và pha thủy tinh) của chúng quyết định:

 C 3 S: 40 – 60% (khoáng alít: 3CaO.SiO2),

 C 2 S: 15 – 35% ( khoáng belít: 2CaO.SiO2),

 C 3 A: 4 – 14% ( tri-canxi aluminát: 3CaO.Al2O3),

 C 4 AF: 10 – 18% (alumo-ferít canxi: 4CaO.Al2O3.Fe2O3).

 Ngoài ra còn pha thủy tinh (15-25%), các ôxyt tự do chưa p.ứ hết và các khoáng khác.

Alít: (40 – 60%) trong clinker XMP

là dung dịch rắn khoáng gốc là C3S

 Silicat can xi: 3CaO.SiO2

 Khoáng chính tạo cường độ của XMP.

 C3S đóng rắn nhanh, c ng đ cao, ườ ộ tỏa

nhiều nhiệt

Bêlít : là dung dịch rắn gốc C2S

 Dạng thù hình cần thiết là β -C2S (15 – 35%) có tính kết dính, phát triển cường độ chậm ở giai đoạn đầu, nhưng sau đó cho cường độ khá cao, ít

b n m ị ă ịn

 β -C2S tỏa ít nhiệt khi đóng rắn Trong kỹ thuật sản xuất clinker XMP cần làm nguội clinker rất nhanh ở khoảng 6750C, nhằm tránh sự biến đổi β -

C2S thành γ - C2S, là khoáng không có tính kết dính.

 Aluminat canxi: 3CaO Al2O3

 (4 – 14%): đóng rắn nhanh, tỏa nhiều nhiệt, không bền trong môi trường xâm thực

 Dùng phụ gia thạch cao CaSO4.2H2O để hạn chế tốc độ đóng rắn của C3A

Alumo-ferít canxi C4AF (10 –

18%):

 4CaO Al2O3.Fe2O3

 dễ hòa tan trong nước, ít tỏa nhiệt

 Đóng rắn nhanh tạo cường độ ban đầu nhanh, nhưng sau đó cường độ không cao, chịu ăn mòn tốt

 Khi làm nguội nhanh, pha lỏng sẽ chuyển thành pha thủy tinh trong clinker Nhờ vết nứt tế vi trong pha thủy tinh, clinker dễ nghiền hơn, hoạt tính pha thủy tinh rất cao, dễ hydrát hóa.

 Ngoài ra, trong clinker XMP còn những khoáng

khác như các sunfát kiềm (K,Na)2SO4, CaSO4, aluminát kiềm (K,Na)2.8CaO.3Al2O3, alumo-manganát canxi 4CaO.Al2O3.Mn2O3

 và một lượng ôxít tự do, chưa phản ứng hết

trong quá trình nung luyện Trong số đó, không mong muốn nhất là CaO (khống chế 1 – 2%) và MgO tự do, càng ít càng tốt (bé hơn 4 – 6%, tùy tiêu chuẩn mỗi quốc gia)

NHỮNG THÔNG SỐ KỸ THUẬT

QUAN TRỌNG NHẤT CỦA XMP

1 Khả năng đóng rắn

2 Mác xi măng

3 Khối lượng thể tích

4 Khối lượng riêng

5 Độ mịn bột xi măng

6 Lượng chất mất khi

nung (MKN)

7 Độ ổn định thể tích

8 Lượng nước tiêu chuẩn

9 Lượng vôi (CaO) tự do

và MgO tự do

10 Nhiệt tỏa ra khi đóng

rắn

11 Độ bền hóa

12 Thời gian bảo quản, sử

dụng

17

NHỮNG THÔNG SỐ KỸ THUẬT

QUAN TRỌNG NHẤT CỦA XMP

1 Khả năng đóng rắn

2 Mác xi măng

3 Khối lượng thể tích

4 Khối lượng riêng

5 Độ mịn bột xi măng

6 Lượng chất mất khi

nung (MKN)

7 Độ ổn định thể tích

8 Lượng nước tiêu chuẩn

9 Lượng vôi (CaO) tự do

và MgO tự do

10 Nhiệt tỏa ra khi đóng

rắn

11 Độ bền hóa

12 Thời gian bảo quản, sử

dụng

3 – Khối lượng thể tích:

XMP đã nghiền thành bột tơi

khoáng, độ mịn và độ ẩm của XMP

 Ph thu c Ph thu c ụ ụ ộ ộ vào độ lèn chặt

Khối lượng riêng xi măng

khối lượng riêng của clinker XMP thông

thường là 3,05 – 3,2 g/cm3.

5 – Độ mịn bột XM:

 XM phải có độ mịn (hoặc diện tích bề mặt riêng) đủ lớn để có tốc độ phản ứng hydrát hóa cần thiết tạo những khoáng cho XM cường độ

 Yêu cầu về độ mịn với những chủng loại XM có khác nhau, tùy thuộc tính chất và yêu cầu cụ thể

 Ví dụ: với XM trộn (PCB) cần lượng sót sàng N 0 008 (5470 lỗ/cm 2 ) không quá 12%.

 Nếu xác định theo phương pháp đo diện tích bề mặt riêng (phương pháp Blaine) cần đạt 2700 cm 2 /g

(TCVN 6260, 1999)

1 – Khả năng đóng rắn: Tính chất quan

trọng nhất của CKD đối với quá trình thi

a) Giai đoạn ninh kết :

vữa XM chuyển dần từ trạng thái

sớm hơn 45 phút,

muộn hơn 12 giờ kể từ lúc bắt đầu trộn nước

b) Đóng rắn:

 Sau khi ninh kết, khối XM tiếp tục phát triển cường độ thành khối đá vững chắc, có thể dùng trong các kết cấu xây dựng

 Trong giai đoạn này, không thể gia công tạo hình bằng phương pháp đúc khuôn được

 Thời gian đóng rắn thực sự của đá XM rất lâu

 Mẫu chuẩn có kích thước:

 4x4x16 (cm) (có thể thử bền nén và bền uốn)

 7,07x7,07x7,07 (cm) , 10x10x10 (cm) để thử độ bền nén

The mold for test of strength

Thường ký hiệu mác XM như sau:

 PC30, PC40, PC 50, PC 60 : mẫu chuẩn

(Blended cement) với phụ gia khoáng

Compresive strength of cement

7 –Độ ổn định thể tích:

 Xi măng sau khi đóng rắn cần có độ ổn định thể tích

 Sự biến đổi thể tích do:

 cấu trúc gel của đá XM,

 quá trình kết tinh các khoáng trong đá XM,

 những phản ứng hóa học xảy ra sau khi XM đóng rắn tỏa nhiệt và tạo sản phẩm có thể tích riêng lớn hơn những chất ban đầu

 Chú ý hai phản ứng:

 CaOtự do + H2O = Ca(OH)2 tỏa nhiều nhiệt, dãn nở thể tích

8 – Lượng nước tiêu chuẩn:

 Là lượng nước cần để XM tạo thành vữa có độ dẻo tiêu chuẩn

 Thông thường, tỷ lệ nước/XM = 24 – 30%:

 Cần cho quá trình hydrát hóa khoảng 1/4 - 1/3;

 làm dẻo vữa 2/3 – 3/4 lượng nước tiêu chuẩn,

 Lượng nước tiêu chuẩn: phụ thuộc thành phần khoáng, độ mịn, lượng và loại phụ gia sử dụng của XM

 XM có nhiều khoáng C3A, C3S có lượng nước tiêu chuẩn nhiều hơn XM có nhiều khoáng C2S và C4AF

 XM có độ mịn cao làm tăng lượng nước tiêu chuẩn

9– Lượng vôi (CaOtd) và lượng MgO tự do:

 Là lượng CaO, MgO còn dư, không tham gia các phản ứng trong quá trình nung luyện clinker XMP

 Đây là chỉ tiêu quan trọng đánh giá chất lượng clinker XMP, thể hiện mức hoàn thiện phản ứng nung luyện clinker

Lượng vôi tự do trong XMP càng ít càng tốt,

thường khống chế còn 1 – 2 %.

 Do đã nung luyện ở nhiệt độ cao, ở dạng khoáng bền hoặc bị bao bọc bởi lớp thủy tinh trong clinker, lượng vôi tự do trong clinker XMP phản ứng rất chậm với nước:

 CaOtd + H2O = Ca(OH)2.

 Phản ứng tỏa nhiều nhiệt, dãn nở thể tích xảy ra khi XM đã đóng rắn dễ gây nứt vỡ kết cấu xây dựng, hơn nữa sp phản ứng dễ tan, làm khối đá

XM dễ bị ăn mòn

 MgOtd + H2O = Mg(OH)2

 thể tích riêng Mg(OH)2 lớn hơn thể tích riêng MgO nhiều nên dãn nở thể tích trong khối XM rất mạnh Các quá trình xảy ra khi khối đá XM đã rắn chắc, làm cấu kiện xây dựng dễ nứt vỡ

 Có thể nói, đây là chỉ tiêu kỹ thuật tương ứng với tính chất ổn định thể tích của XMP

10–Nhiệt tỏa ra khi đóng rắn:

  Phản ứng hydrát hóa của XM là phản ứng tỏa nhiệt

 Quan tâm: Lượng nhiệt và tốc độ tỏa nhiệt

 Nhiệt lượng tỏa ra:

 ảnh hưởng tới sản phẩm thủy hóa các khoáng XMP,

 gây ứng suất nhiệt làm nứt vỡ, giảm chất lượng công trình

 Nhiệt tỏa ra phụ thuộc vào thành phần khoáng, độ mịn, chủng loại và hàm lượng phụ gia của XM

11– Độ bền hóa:

 là khả năng chống lại tác nhân ăn mòn của đá

XM trong quá trình sử dụng

 Độ bền hóa phụ thuộc:

 thành phần khoáng,

 thành phần hóa,

 mật độ khối đá, chủng loại

 hàm lượng phụ gia của XM

 môi trường ăn mòn

 Nói chung, XMP không bền trong môi trường kiềm, môi trường sunfát Trong điều kiện có dòng chảy, quá trình ăn mòn mạnh hơn rất nhiều

Các nguyên nhân gây ăn mòn

sự hòa tan và rửa trôi hydroxit canxi

XM tác dụng với các chất xâm thực và rửa trôi các muối đó

 Sự hình thành các liên kết mới có thể tích khác với thể tích ban đầu gây ứng suất

Các dạng ăn mòn cụ thể

Ăn mòn hòa tan: tan Ca(OH)2

Ăn mòn cacbonic: CaCO3 + CO2 + H2O

Ăn mòn axit: pH <7: HCl, H2SO4

Ăn mòn Magie: MgCl2, MgSO4 =>sp dễ tan, k kết dính

Ăn mòn phân khoáng: 2NH4NO3, KNO3, supephotphat

Ăn mòn sunfat: khi hàm lượng sunfat > 250mg/l

Ăn mòn của các chất hữu cơ: axit hữu cơ

Ăn mòn do kiềm: Xảy ra sau khi thi công 10-15 năm

Biện pháp hạn chế ăn mòn

bằng cách lựa chọn phối liệu

12– Thời gian bảo quản, sử dụng:

 Sau khi sản xuất, XMP dạng bột hoạt tính cao, dễ phản ứng với hơi nước, khí CO2 trong không khí

 Khi xếp chồng cao, sẽ nén ép lẫn nhau làm tăng khối lượng thể tích, giảm hoạt tính bề mặt Phản ứng tạo lớp sản phẩm đóng rắn mỏng trên bề mặt hạt, cộng với sự nén ép dẫn tới giảm hoạt tính và cường độ khi sử dụng

 Vì vậy, cần bảo quản tốt và sử dụng XMP càng nhanh càng tốt Trong điều kiện thông thường, thời hạn bảo quản XMP tối đa không nên quá sáu tháng

Hydration types

in technological process

Các thông số kỹ thuật có sự liên quan chặt chẽ với nhau Trong từng điều kiện sử dụng cụ thể, có yêu cầu được

quản XM, cần cố gắng bảo đảm chặt chẽ tất cả các chỉ tiêu kỹ thuật đã được qui định

Influences of Major and Minor Phases

on Cement Properties

 C 3 S - Early strengths, setting

 C 2 S - late stage strengths, durability

 C 3 A - Initial set, early heat evolution

 CaO free (free lime) - Setting time, early strengths

Contribution of clinker phases on strength development