bài giảng vật liệu silicat chương 2 các hệ số cơ bản, thông số kỹ thuật của clinker xi măng pooclăng

Để đánh giá chất lượng clinker, tính phối liệu người ta sử dụng các hệ số cơ bản KH LSF, n, p dưạ trên cơ sở hàm lượng tính theo % các ôxit chính có trong clinker ximăng pooclăng.. Ta

Chæång 2 Các hệ số cơ bản, thông số kỹ

thuật của clinker

xi măng pooclăng

Để đánh giá chất lượng clinker, tính phối liệu người ta sử dụng các hệ số cơ bản KH (LSF), n, p dưạ trên cơ sở hàm lượng ( tính theo % ) các ôxit chính có trong clinker ximăng pooclăng Sau đây xét cụ thể từng hệ số trên.

I các hệ số

cơ bản

KH (LSF), n, p

1 Môđun thủy học.

Đầu tiên để đặc trưng cho thành phần clinker người ta dùng môđun thủy học ( hay thủy lực) ký hiệu là m m là tỷ số giữa lượng CaO kết hợp với các ôxit acid với tổng hàm lượng các ôxit acid sau khi đã kết hợp hết với CaO m = %(SiO %(CaOt − CaOtd )

2t − SiO2td ) + % Fe2 O3 + %

Al2 O3

Đối với clinker ximăng pooclăng

thường m = 1,7-2,4.

2 Môđun silicat: kí hiệu là n hay MS hay SR.

Môđun silicat là tỷ số hàm lượng ôxit silic tham gia phản ứng với các ôxit khác và tổng hàm lượng ôxit nhôm và ôxit sắt có trong clinker.

Trong clinker hàm lượng SiO2 tự do không lớn lắm do đó khi tính tóan cho

phép sử dụng công thức đơn giản và xem như:

%( SiO2tổng -SiO2 tự do ) ≈ SiO2tổng

Ta có công thức đơn giản sau:

Với clinker ximăng pooclăng thường thì n

= 1,7 - 3,5

+ Nếu nâng cao n thì phối liệu khó kết khối khi nung luyện, còn trong clinker hàm lượng các khóang silicat tăng lên và các khóang nóng chảy giảm xuống

+ Nếu giảm n xuống thì các khóang nóng chảy trong clinker tăng lên, các khóang silicat giảm xuống, do đó nhiệt độ nóng chảy của phối liệu giảm xuống.

Chú ý:

3 Môđun alumin: kí hiệu là p hay MA hay AR.

Môđun alumin là tỷ số giữa hàm lượng phần trăm ôxit nhôm và ôxit sắt có trong clinker.

Môđun alumin còn xác định tỷ lệ

Đối với ximăng pooclăng thường p =

1-3 Khi p ≅ 0.64 trong clinker chỉ có khoáng C2F.

+ Nếu tăng p lên cao thì clinker ximăng sẽ chứa nhiều

ximăng sẽ đóng rắn nhanh, tỏa nhiều nhiệt, kém bền nước

+ Nếu giảm p xuống thì clinker sẽ chứa nhiều khóang

sẽ đóng rắn tương đối chậm, cường độ không cao lắm nhưng bền nước tốt hơn.

Chú ý:

4 Hệ số bão hòa kí hiệu

KH

Hệ số bão hòa là tỉ lệ giữa phần trọng lượng vôi còn lại sau khi đã hòan tòan

clinker ximăng pooclăng thành

Khâi niệm:

5 Hệ số bão hòa kí hiệu

KH

Trong đó:

+ CaOt; SiO2t: tổng hàm lượng ôxit canxi và ôxit silic có trong clinker.

+ CaOtd; SiO2td : hàm lượng ôxit canxi và ôxit silic tự do trong clinker

Để đơn giản dùng công

thức:

trong đó:

+ (CaO - 1,65 Al2O3 - 0,35 Fe2O3 0,7 SO3) là tổng lượng vôi còn lại trong clinker sau khi tác dụng bão hòa Al2O3; Fe2O3; SO3 thành C3A; C4AF; CaSO4.

-+ 2,8 SiO2 là lượng vôi cần thiết để bão hòa hòan tòan lượng SiO2 thành C3S.

Như vậy: Khi tính tóan phối liệu sản xuất clinker ximăng pooclăng thường dùng công thức đơn giản sau (xem lượng CaOt d và SiO2 t d không đáng kể):

Đối với ximăng pooclăng thường

KH = 0,85 -0,95.

Chú ý:

+ Nếu tăng KH lên thì hàm lượng khóang alit trong clinker tăng lên, ximăng có cường độ cao, đóng rắn nhanh nhưng khó nung luyện

vì nhiệt độ kết khối cao và sẽ giảm tuổi thọ gạch chịu lửa lót lò.

+ Nếu giảm KH xuống thì hàm lượng khóang alit trong clinker giảm, chất lượng ximăng giảm, nhiệt độ kết khối giảm, nung luyện dễ.

Tuy nhien hiện nay ở một số nhà máy lại sử dụng hệ số

Ngoài ra còn sử dụng các công thức thực nghiệm của Bút để tính phối liệu Để tính thành phần khoáng của clinker theo lý thuyết có thể dựa vào thành phần hóa học của 4 ôxít chính trong clinker hoặc theo 3 hệ số dặc trưng KH, n, p.

6 Câc phuơng phâp tính hăm luợng khoâng

a Cách tính theo hệ số KH độc

lập:

Theo nghiên cứu của Kin gọi CO là mức độ hoạt tính: đó là số phân tử CaO tác dụng với 1 phân tử SiO2, và nếu tất cả CaO phản ứng hết để

3 lần hệ số bão hòa vôi KH

gia liên kết với 1.87%CaO sẽ được 2.87%C2S Do đó:

%C3S = 3.8S.( CO - 2) = 3.8S.(3KH - 2).

%C2S = 2.87S.(3 - CO) = 2.87S.(3- 3KH) = 8.61S.(1- KH).

b Cách tính theo 3 hệ số KH, n, p:

Theo công thức thực nghiệm của Kin:

c Cách tính theo hàm lượng 4 ôxít chính

+ Lượng CaO có trong C3S bằng 73.69% , ( Vì 3M (CaO)/ M (C3S) = 73.69%)

+ Lượng SiO2 có trong C3S bằng 26.31% ( Vì M (SiO2)/ M (C3S)

= 26.31% )

+ Tương tự ta tính lượng CaO, SiO2 , Al2O3, Fe2O3 có trong

C2S , C3A , C4AF

Ta có bảng số liệu sau:

Ta có các hệ phương trình sau:

a = 0.7369w + 0.6512x + 0.6227y + 0.4616z b = 0.2631w + 0.3488x

c = 0.3773y +0.2098z

d = 0.3286z

Suy ra:

•C3S = 4.071CaO - 7.6SiO2 - 6.718Al2O3 -

1.430Fe2O3

•C2S = 8.602 SiO2 + 5.068 Al2O3 + 1.078 Fe2O3 - 3.071 CaO

•C3A = 2.650 Al2O3 - 1.692 Fe2O3 = 2.65(Al2O3 - 0.64 Fe2O3 )

•C4AF = 3.043 Fe2O3 nếu p > 0.64

•C2 (A, F) = 1.1 Al2O3 + 0.7 Fe2O3 nếu p < 0.64 không tạo khoáng C3A, mà chỉ tạo các

khoáng sau: C4AF, C6AF2 , C2F

d Cách tính hàm lượng pha lỏng:

L = 1.12C3A + 1.35 C4AF.

Thực ra, nếu căn cứ vào nhiệt độ tạo pha lỏng của các hệ như sau:

Hàm lượng của pha lỏng tính theo nhiệt độ và hệ số p như sau:

Tít của phối liệu T = 1.785 CaO + 2.09MgO.

CaO và MgO là thành phần của

phối liệu.

e Phân loại clinker ximăng

dựa vào thành phần

khóang:

Tính chất của clinker ximăng phụ thuộc chủ yếu vào thành phần khóang chứa trong clinker, dựa vào những khóang chính ta phân loại clinker thành 2 loại:

+ Theo tỉ lệ các khóang silicát: 3CaO SiO2 và 2CaO SiO2.

+ Theo tỉ lệ các khóang nóng chảy: 3CaO Al2O3 và 4CaO Al2O3

Fe2O3

Các khóang chính trong clinker thường chia thành 2 nhóm:

+ Nếu nâng cao hàm lượng khóang nóng chảy > 25% thì khi nung luyện dễ tạo vòng anô đối với lò quay và dính thành lò đối với lò đứng, nhiệt độ kết khối giảm, nhưng cường độ ximăng không cao lắm.

+ Nếu giảm hàm lượng khóang nóng chảy xuống < 18% thì nhiệt độ kết khối của phối liệu phải cao, ảnh hưởng tới độ bền của lò, nhưng chất lượng clinker tốt.

Chú ý:

Phán loải clinker theo nhọm

khọang silicat.

Phán loải clinker theo nhọm khọang nọng chaíy:

II.CAC THÔNG SỐ KỸ THUẬT

C A XI M NG FOOCL NG ỦA XI MĂNG FOOCLĂNG ĂNG FOOCLĂNG ĂNG FOOCLĂNG

(XMP)

tạp về thành phần khoáng, hóa, đá XM hoàn toàn không đồng nhất cấu trúc

thông số kỹ thuật Đó là những thông số gắn liền với những điều kiện và phương pháp thử nghiệm

28

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 do10.Nhiệt tỏa ra khi đóng

rắn11.Độ bền hóa12.Thời gian bảo quản, sử

dụng

29

30 30

1 – Khả năng đóng rắn: Tính chất quan trọng nhất

của ch t k t dính ( ất kết dính ( ết dính ( CKD) đối với

quá trình thi công

• Khi trộn với nước vữa XM có thể biến thành vật thể rắn chắc dạng đá (đá XM) Quá trình bột XMP từ dạng hồ vữa dẻo tạo thành khối đá rắn chắc còn gọi là quá trình đóng rắn hoặc quá trình tạo cường độ của XMP

• Xét về mặt thời gian, quá trình tạo cường độ rất lâu dài, không chỉ một vài giờ, một vài ngày mà hàng năm, thậm chí hàng chục năm

• Quá trình đóng rắn XMP có thể chia thành hai giai đoạn: giai doạn ninh kết và giai đoạn đóng rắn tiếp tục

31 31

a) Giai đoạn ninh kết :

• Khi trộn bột XM với nước, hỗn hợp vữa XM chuyển dần từ trạng thái lỏng sang trạng thái dẻo quánh, trong giai đoạn này có thể gia công tạo hình như đổ khuôn (đổ bê tông), hoặc tô, trát Sau đó, cường độ vữa tăng dần, vữa chuyển sang trạng thái rắn chắc, cho tới khi vữa không biến đổi hình dạng được nữa

• Thời gian bắt đầu ninh kết cần không sớm hơn 45 phút,

• Thời gian kết thúc ninh kết không muộn hơn 375 phút kể từ lúc bắt đầu trộn nước

• Đây là khoảng thời gian gia công khối vữa XM với hầu hết các XM thông dụng trên thị trường, việc dùng các phụ gia nói chung, không nên làm ảnh hưởng tới thời gian này (trừ trường hợp phụ gia làm biến đổi tốc độ ninh kết)

32 32

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

33 33

2 – Mác XM:

• Đây là thông số kỹ thuật quan trọng nhất để đánh giá chất lượng sử dụng của XMP.

• Mác của XM là cường độ chịu nén của mẫu chuẩn làm từ

XM , tạo hình theo tỷ lệ khối lượng XM : cát tiêu chuẩn = 1:3 và lượng nước là 0,5; tạo hình và bảo quản trong điều kiện chuẩn (25 0 C, độ ẩm không nhỏ hơn 90%) sau 28 ngày đêm (sau một ngày bảo dưỡng ẩm, 27 ngày ngâm nước)

• 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

35 35

Thường ký hiệu mác XM như sau:

• PC30, PC40, PC 50, PC 60: mẫu chuẩn XMP ở điều kiện

chuẩn có cường độ nén không dưới 30, 40, 50 và 60 MPa,

tương đương 300, 400, 500 và 600 kG/cm2

• PCB30, PCB40, PCB 50: là XMP trộn (Blended cement) với phụ gia khoáng hoạt tính với mác 30, 40 và 50 MPa

• Độ bền uốn của những XM loại này tương ứng phải lớn hơn 4,5 ; 5,5; 6 và 6,5 MPa

Compresive strength of cement

37 37

3 – Khối lượng thể tích:

• Là khối lượng của một đơn vị thể tích XMP đã nghiền thành bột

• Đây là thông số kỹ thuật xác định rất đơn giản nhưng mang tính ứng dụng cao, cho phép đánh giá nhanh chất lượng của XMP

• Khối lượng thể tích phụ thuộc thành phần khoáng, độ mịn và độ ẩm của XMP

38 38

Dụng cụ xác định khối lượng thể tích xi măng

Khối lượng thể tích thông

39 39

4 – Khối lượng riêng:

• Một trong những chỉ tiêu quan trọng đánh giá chất lượng kết khối của clinker XMP Khối lượng riêng càng lớn thì mức kết khối của clinker càng cao và độ bền cơ của XM cũng tăng

• Tuy vậy, cần chú ý rằng khối lượng riêng phụ thuộc thành phần khoáng của clinker XMP, mà trong các khoáng thì C4AF (cho cường độ nhỏ) có khối lượng riêng khoảng 3,7g/cm3 so với khối lượng riêng của clinker XMP thông thường là 3,05 – 3,2 g/cm3

40 40

Dụng cụ xác định khối lượng riêng xi măng

khối lượng riêng của clinker XMP

thông thường là 3,05 – 3,2 g/cm 3

42 42

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 N0008 (5470 lỗ/cm2) không quá 12%

– Nếu xác định theo phương pháp đo diện tích bề mặt

riêng (phương pháp Blaine) cần đạt 2800 cm2/g (TCVN

6260, 1997)

43 43

• XMP nghiền càng mịn cường độ ban đầu càng tăng, tuy nhiên cũng chỉ tới giới hạn xác định Khi cần tăng mác XMP mà không làm ảnh hưởng nhiều tới công nghệ chung, một trong những biện pháp kỹ thuật ưa dùng là tăng độ mịn của bột XM

• Khi nghiền quá mịn?

– năng suất máy nghiền và năng suất chung của nhà

máy sẽ giảm

– lượng nước tạo hình tăng dễ gây biến dạng và tỏa

nhiều nhiệt khi đóng rắn

• Độ mịn tối ưu với XMP thường trong khoảng 30 - 60 m

5 – Độ mịn bột XM:

Scanning-Electron Micrograph

of Powdered Cement

46 46

Dụng cụ xác định bề mặt riêng xi măng

47 47

• MKN ?

(lượng CO2, H2O,… từ CaCO3, Ca(OH)2, CaSO4.2H2O)

• Clinker khi bảo quản sẽ hút ẩm và phản ứng với CO2trong không khí

• Thông thường: MKNclinker <1%

MKNXMP <5%

6 – Lượng chất mất khi nung (MKN):

48

50 50

7 –Độ ổn định thể tích:

• Xi măng sau khi đóng rắn cần có độ ổn định thể tích, tức là không bị co dãn trong suốt quá trình sử dụng Sự biến đổi thể tích quá lớn (>0,2% kích thước dài) hoặc không đều dẫn tới nứt vỡ cấu kiện

• 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

+ MgOtự do + H2O = Mg(OH)2 dãn nở thể tích mạnh

Độ ổn định thể tích là yêu cầu chất lượng không thể thiếu với các công trình xây dựng lớn như nhà cao tầng, nền móng công trình, đập thủy điện

52 52

Dụng cụ xác định độ ổn định thể tích của xi

măng (dụng cụ Le Chatelier)

Soundness Test

ASTM C 151

(AASHTO T 107 )

25-mm square bars are exposed

to high temperature and

pressure in the autoclave to

determine the volume stability

of the cement paste

54 54

8 – Lượng nước tiêu chuẩn:

• Là lượng nước cần để XM tạo thành vữa có độ dẻo tiêu chuẩn (độ dẻo tiêu chuẩn là thông số kỹ thuật được xác định bằng phương pháp kim Vica) Đây là lượng nước cần cho quá trình hydrát hóa các khoáng XMP và tạo độ dẻo cần thiết cho quá trình thi công tạo hình.

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

– 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.

56 56

Dụng cụ xác định lượng nước tiêu chuẩn và thời

gian đông đặc của xi măng

(dụng cụ Vica)

57 57

• 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

58 58

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

Nguyên nhân

 LSF (hệ số bão hòa vôi)

lớn

 Clinker chưa kết khối

 Kích thước đá vôi lớn

 Đồng nhất kém

 Phân hủy C3S

Cách khắc phục

 Kiểm tra thành phần hóa

 Nung kỹ hơn

 Nghiền mịn hơn

 Gia tăng độ đồng nhất

 Làm nguội nhanh

Các nguyên nhân tạo CaO tự do

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

61 61

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