Chuyên đề bê tông chịu nhiệt

Chuyên đề bê tông chịu nhiệt

CHƯƠNG 1: MỞ ĐẦU

I.1 Tính cấp thiết và ý nghĩa của đề tài.

Trong thực tế, những công trình, kết cấu chịu nhiệt, các thiết bị nhiệt, các kết cấu bảo ôn cho các thiết bị nhiệt … được chế tạo từ bê tông chịu nhiệt làm việc trong điều kiện nhiệt độ cao lâu dài, nhiệt độ thay đổi, với mức độ chênh lệch nhiệt độ cao… bị phá hoại, hư hỏng nhanh, tuổi thọ thấp là thực tế làm giảm chất lượng công trình, giảm hiệu quả kinh tế của công trình, nên việc nâng cao tuổi thọ, độ bền lâu công trình, kết cấu và thiét bị nhiệt có ý nghĩa to lớn, mang ý nghĩa về kinh tế kỹ thuật sâu sắc

Việc sử dụng các loại bê tông thông thường, sử dụng các loại chất kết dính như xi măng póoc lăng hay xi măng póoc lăng hỗn hợp thông thường không đạt được hiệu quả cao, do trong quá trình làm việc ở nhiệt độ cao, chúng bị biến đổi các tính chất cơ lý và bị phá huỷ hoàn toàn Nguyên nhân là do sự mất nước liên kết hóa học của các sản phẩm thủy hóa, trong đó có thành phần Ca(OH)2 mất nước tạo nên CaO, Sau đó CaO lại hấp thụ hơi nước trong môi trường không khí, tiến hành thủy hóa lần hai, gây trương nở thể tích, tạo ứng suất phá hoại cấu trúc của vật liệu, làm giảm độ bền, khả năng làm việc, giảm tuổi thọ của vật liệu, vì thế: việc tìm ra các loại vật liệu có chất lượng cao hơn, có độ bền cao hơn, tuổi thọ cao hơn cho công trình, kết cấu

và thiết bị nhiệt làm việc trong các điều kiện nhiệt độ khắc nhiệt là hết sức cần thiết

Để khắc phục sự phá hoại do tác động của nhiệt độ đối với các công trình, kết cấu và thiết bị sản xuất từ bê tông chịu nhiệt, ta cần nâng cao khả năng làm việc trong điều kiện nhiệt độ cao của các thành phần cấu tạo nên bê tông, bao gồm cả cốt liệu và chất kết dính, nhưng trong thực tế: các loại cốt liệu được sử dụng là các mảnh vỡ sành sứ, bản thân chúng đã được nung đến độ kết khối, khả năng chịu đựng của chúng ở nhiệt độ cao là rất tốt, nên mục đích của việc nâng cao khả năng chịu nhiệt của bê tông chịu nhiệt là: nâng cao khả năng chịu nhiệt của đá chất kết dính hay của chất kết dính sử dụng chế tạo bê tông chịu nhiệt Để thực hiện mục tiêu này, chúng

ta có thể sử dụng các loại chất kết dính chịu nhiệt, được tạo thành từ phụ gia khoáng nghiền mịn

và xi măng póoc lăng Việc nghiên cứu chế tạo chất kết dính chịu nhiệt có khả năng chịu nhiệt cao, làm việc trong điều kiện nhiệt độ khắc nhiệt từ các loại xi măng póoc lăng địa phương càng

có ý nghĩa kinh tế kỹ thuật cao và thiết thực

- Về mặt khoa học kỹ thuật: đây là hướng nhiên cứu và phát triển mới trong khoa học kỹ thuật về vật liệu chịu nhiêt-cách nhiệt dần dần thay thế các vật liệu cách nhiệt truyền thống như vermiculit, péclit, điatômít… Bê tông chịu nhiệt - cách nhiệt có công nghệ sản xuất đơn giản hơn các vật liệu cách nhiệt khác, không phải trải qua giai đoạn sấy nung phức tạp, có thể chế

tạo với bloock lớn hình dạng bất kỳ giúp cho quá trình thi công các công trình nhanh chóng và đạt hiệu quả cao.

- Về mặt kinh tế: Vì nguyên liệu sử dụng là nguyên liệu địa phương: xi măng, các phụ gia và không phải trải qua giai đoạn sấy nung nên đã giảm chi phí cho quá trình sản xuất tiết kiệm năng lượng, tiết kiệm vật liệu quý hiếm, tận dụng được nguồn nguyên liệu địa phương, giảm giá thành sản phẩm, nâng cao hiệu quả kinh tế

- Về mặt môi trường và xã hội: Việc nghiên cứu và đưa bê tông chịu nhiệt- cách nhiệt vào thực tiễn sản xuất đã tận dụng được nguồn nguyên liệu địa phương, giải quyết vấn đề môi trường, tạo công ăn việc làm cho người lao động giúp xoá đói giảm nghèo, ngăn chặn các tệ nạn

xã hội

I.2 Mục đích và nội dung nghiên cứu.

Mục tiêu: Thực hiện nghiên cứu nâng cao khả năng chịu nhiệt của chất kết dính chịu nhiệt được tạo thành từ việc phối hợp xi măng póoc lăng PC40 Bút Sơn và PCB40 Phúc Sơn với các loại phụ gia là: Samôt và gạch đỏ

Với các nhiệm vụ sau:

- Khảo sát tính chất của các nguyên liệu thành phần chế tạo chất kết dính chịu nhiệt: xi măng póoc lăng PC40 Bút Sơn, xi măng poóc lăng hỗn hợp PCB40 Phúc Sơn, phụ gia samốt, và phụ gia gạch đỏ

- Khảo sát, nghiên cứu tính chất của chất kết dính chịu nhiệt dùng xi măng poóc lăng PC40 Bút Sơn và các phụ gia ở các tỷ lệ pha trộn khác nhau ở các cấp nhiệt độ khác nhau

- Khảo sát, nghiên cứu tính chất của chất kết dính chịu nhiệt dùng xi măng poóc lăng hỗn hợp PCB40 Phúc Sơn và các phụ gia ở các tỷ lệ pha trộn khác nhau ở các cấp nhiệt độ khác nhau

- Thực hiện: Quy hoạch thực nghiệm tối ưu để tìm ra cấp phối bê tông tối ưu ở 800oC và 1000oC

- Nghiên cứu và thiết lập sơ đồ công nghệ chế tạo bê tông chịu nhiệt-cách nhiệt dùng chất kết dính chịu nhiệt từ xi măng PC40 Bút Sơn, PCB40 Phúc Sơn và các phụ gia

CHƯƠNG 2: TỔNG QUAN

II.1 Tình hình nghiên cứu bê tông chịu nhiệt nặng, nhẹ.

Hiện nay, với sự phát triển mạnh mẽ của các ngành công nghiệp: năng lượng, luyện kim, hóa dầu, hóa chất , bê tông được sử dụng ngày càng nhiều trong các kết cấu xây dựng chịu tác động lâu dài của nhiệt độ cao và biến động, làm giảm khả năng chịu lực của bê tông, tăng độ võng của các kết cấu và công trình, có thể phá hủy hoàn toàn vật liệu và cấu kiện

Trên thế giới đã có nhiều nghiên cứu về bê tông chịu nhiệt (BTCN) các loại để đáp ứng cho nhu cầu xây dựng của các ngành công nghiệp Ở Nga (Liên Xô cũ) việc nghiên cứu bê tông và

bê tông cốt thép chịu nhiệt bắt đầu từ năm 1942, tại Trung tâm nghiên cứu khoa học các trường đại học, Viện nghiên cứu các công trình công nghiệp và ở Viện nghiên cứu khoa học bê tông và

bê tông cốt thép Trên cơ sở nghiên cứu thực nghiệm đã tiến hành khảo sát các loại BTCN khác nhau với nhiệt độ làm việc từ 200oC đến 1800oC

BTCN là loại đá nhân tạo không nung, có các tính chất cơ lý chủ yếu được bảo toàn dưới tác dụng lâu dài ở nhiệt độ 250oC trở lên Bản thân nó vừa mang tính chất của bê tông vừa mang tính chất của vật liệu chịu lửa, và là sự kết hợp của bê tông và vật liệu chịu lửa Đó là khả năng

dễ chế tạo, có thể thi công toàn khối hoặc lắp ghép, đẩy nhanh tốc độ thi công xây dựng, tăng khả năng làm việc của công trình, có khả năng chịu mhiệt cao (có thể tới 1800oC) lâu dài và thay đổi, sử dụng nguyên vật liệu địa phương và không phải qua khâu nung Do khi chế tạo và ở nhiệt độ thấp nó là vật liệu bê tông, nhưng khi làm việc ở nhiệt độ cao sẽ xảy ra các phản ứng pha rắn, tạo ra các khoáng mới, các khoáng này có độ bền nhiệt cao

Bê tông chịu nhiệt có thể sử dụng nhiều loại chất kết dính khác nhau, tùy thuộc vào yêu cầu mức độ chịu nhiệt Khi sử dụng xi măng poóc lăng làm chất kết dính thì ở nhiệt độ cao, bê tông sẽ bị phá hủy do các khoáng thủy hóa của xi măng không bền nhiệt Năm 1952-1954 V.V.Contunov đã tiến hành nghiên cứu ảnh hưởng của nhiệt độ cao đối với các khoáng riêng biệt của clanhke xi măng poóc lăng khi rắn chắc, ảnh hưởng của nhiệt độ đến sự phá hủy của C3S, C2S, C4AF, C3A cùng với V.V.Contunov còn có các nhà nghiên cứu khác tiến hành nghiên cứu tác động của nhiệt độ đến các tinh chất của đá xi măng như: S A.Myronov, L.A.Malynhina, N.A.Mosanski, G.D.Salmanov, V.A.Kynd và S D.OCorokov, A.E.Xeikin… Qua nghiên cứu ảnh hưởng của nhiệt độ cao đến các tính chất của clanhke xi măng poóc lăng với các thành phần khoáng hóa khác nhau, C.D.Nhecrasov, V V Contunov và các tác giả khác cho thấy: Dưới tác dụng của nhiệt độ cao độ bền của đá xi măng sau khi đốt nóng, phụ thuộc vào thành phần khoáng của nó và bê tông không nên sử dụng lâu dài ở nhiệt độ lớn hơn 250oC

Sự giảm cường độ và phá hoại bê tông khi tăng nhiệt độ dò mất nước liên kết, phá hoại cấu

trúc của bê tông, đồng thời do sự thủy hóa lần 2 của CaO ( do phản ứng phân hủy Ca(OH)2 tạo

ra cao tự do) bằng hơi nước trong không khí Nghiên cứu quá trình thủy hóa lần hai của Cao trong đá xi măng poóc lăng sau khi đốt nóng, G.M.Ruxue đã kiến nghị đưa vào trong xi măng poóc lăng các phụ gia khoáng khác nhau.V.M.Moskvin, V.V.Contunov năm 1957 cũng đã nghiên cứu tăng tính chất chịu nhiệt của xi măng poóc lăng bằng cách sử dụng các loại phụ gia khoáng khác nhau Khi đưa phụ gia khoáng nghiền mịn vào xi măng poóc lăng, người ta có hỗn hợp chất kết dính chịu nhiệt (CKDCN) Tùy thuộc vào phụ gia, có thể nhận được CKDCN với các tính chất chịu nhiệt khác nhau

Y.U.Bút đã nghiên cứu sử dụng cát quắc và điatômít nghiền mịn để liên kết CaO thủy hóa của đá xi măng khi giữ mẫu trong điều kiện tiêu chuẩn và sau khi chúng áp Trong quá trình chưng áp, cát quắc và điatomít nghiền mịn sẽ liên kết với CaO tự do Theo Y.E.Gurvytr và M.C.Agaphônôp phản ứng giữa ôxyt Silic vô định hình và CaO tự do ở trạng rắn xảy ra mạnh ở nhiệt độ 500oC-600oC; còn đối với quắc tinh thể, nó chỉ bắt đầu ở 600oC Theo P.P.Budnhicop, V.Pa.Zuravlev phản ửng pha rắn giữa ôxyt Silic và ôxyt Can xi (khi tỷ lệ 1 : 1 ) xảy ra qua hợp chất trung gian không bền 2CaO.SiO2 và 3CaO.SiO2 đến hợp chất cuối cùng là CaO.SiO2, tuy nhiên khi đốt nóng SiO2 có sự biến đổi thù hình không ổn định thể tích, nên không sử dụng nó với tính chất phụ gia cho XMPL với tinh chất chịu nhiệt

V V Contunov và Z.M.Larionov nghiên cứu tác động của các khoáng xi măng chủ yếu với các phụ gia sa mốt mịn, cho thấy: lượng phụ gia đưa vào càng lớn thì khả năng liên kết với CaO

tự do xảy ra hoàn toàn dẫn tới tăng độ bền của đá xi măng sau khi đốt nóng ở 1200oC Điều đó nói lên rằng không còn CaO tự do trong đá xi măng sinh ra khi đốt nóng đá xi măng, chúng được liên kết hoàn toàn với SiO2 và Al2O3 của sa mốt mịn, hình thành dạng khoáng mới là silicat và aluminat khan Tuy nhiên khi tăng lượng phụ gia sẽ ảnh hưởng đến các tính chất khác của đá xi măng như tỷ lệ nước/hỗn hợp chất kết dính chịu nhiệt, cường độ nén… Tuy nhiên tỷ

lệ xi măng với phụ gia còn chưa được nghiên cứu cụ thể Khi sử dụng xỉ lò cao làm phụ gia trong xi măng poóc lăng, người ta thấy rằng: khi ở nhiệt độ cao từ 750 : 800oC, khả năng liên kết với CaO lớn hơn ở 600oC và sự liên kết của xỉ nhỏ hơn của sa mốt

Để tăng các tính chất chịu lửa của xi măng poóc lăng, G.D.Salmanov đã sử dụng phụ gia nghiền mịn crômmit, phụ gia này khi đưa vào sẽ liên kết tự do với ôxyt can xi tự do của đá XMPL, tăng độ chịu lửa và nhiệt độ biến dạng dưới tải trọng 2kG/cm2 của đá xi măng

Ngoài bê tông nặng còn có bê tông nhẹ chịu nhiệt, theo B.G.Skramtaep, cốt liệu tốt nhất sử dụng cho bê tông nhẹ chịu nhiệt là vật liệu xốp: xỉ, peclit, xỉ bọt, túp, keramzit, vemiculit Các

tác giả C.D.Nhecrasov, S.C.Lisenco nghiên cứu bê tông khí chịu nhiệt (bê tông chịu nhiệt-cách nhiệt) dùng XMPL với các phụ gia mịn khác nhau là: sa mốt, xỉ lò cao, tro xỉ, keramzit, trên cơ

sở dùng phụ gia mịn đề liên kết với ôxyt can xi tự do Năm 1966- 1968 Trung tâm nghiên cứu khoa học xây dựng (của CHLB Nga-VNYYS) đã tiến hành nghiên cứu bê tông nhẹ chịu nhiệt dùng XMPL với phụ gia samốt nghiền mịn và cốt liệu là sỏi keramzit, dầm aglôporit Đặc biệt trong các năm gần đây đã có các công trình nghiên cứu về bê tông nhẹ chịu nhiệt dùng cốt liệu xốp nhân tạo và các loại phụ gia khác nhau

Hiện nay Trung tâm nghiên cứu bê tông và bê tông cốt thép (của CHLB Nga -NYYZB) đã

và đang nghiên cứu BTCN dùng chất kết dính phối phát với các cốt liệu alumôsilicat khác nhau: mảnh vụn sa mốt, sa mốt và sa mốt cao lanh

Ngoài các loại chất kết dính trên, người ta còn nghiên cửu các loại chất kết dính từ thủy tinh lỏng và phụ gia có chứa silicat một can xi để chế tạo B'TCN Để nâng cao tính chịu lửa của chất kết dính người ta sử dụng một số loại các phụ gia mịn: sa mốt, manhezi, vật liệu chịu lửa cao nhôm

Ở một số nước khác: Trung Quốc, Anh, CHLB Đức đều sử dụng xi măng alumin ,caoalumin với lượng Al2O3 lớn để Xây dựng các công trình chịu tác động của nhiệt độ

Ở Việt Nam, việc nghiên cứu BTCN cũng đã bắt đầu được tiến hành: Năm 1977, Bộ môn Công nghệ vật liệu xây dựng-trường Đại học Xây dựng và Viện kỹ thuật xây dựng Hà Nội đã tiến hành nghiên cứu thử nghiệm BTCN dùng XMPL với phụ gia nghiền mịn samốt Năm 1988- 1991 , Bộ môn Công nghệ vật liệu đã tiến hành, nghiên cứu chế tạo BTCN sử dụng phụ gia xỉ nhiệt điện và hỗn hợp phụ gia samốt-xỉ nhiệt điện để chế tạo chất kết dính chịu nhiệt; đã tiến hành nghiên cứu tính toán thành phần hạt cốt liệu dùng cho bê tông chịu nhiệt Năm 1993,

Bộ môn Công nghệ vật liệu đã tiến hành nghiên cứu chế tạo bê tông khí chịu nhiệt (loại bê tông chịu nhiệt-cách nhiệt) dùng xi măng poóc lăng với các phụ hia samốt, xỉ nhiệt điện Năm 1996-

1998, Bộ môn công nghệ vật liệu đã tiến hành nghiên cứu chế tạo bê tông nhẹ chịu nhiệt dùng XMPL với phụ gia keramzit, gạch vỡ và cốt liệu rỗng keramzit Năm 2005-2006, Bộ môn Công nghệ vật liệu đã tiến hành nghiên cứu chế tạo vữa (bê tông hạt nhỏ) chịu nhiệt, chống cháy sử dụng cốt liệu sa mốt, gạch vỡ với chất kết dính xi măng poóc lăng hỗn hợp và đã thu được các kết quả khá khả quan

II.2 Tình hình sử dụng bê tông chịu nhiệt nặng, nhẹ.

Bê tông chịu nhiệt được sử dụng ngày càng rộng rãi để xây dựng các công trình chịu tác động của nhiệt độ cao Việc sử đụng bê tông để thay thế các vật liệu chịu lửa có nhiều ưu điểm, mang lại hiệu quả kinh tế cao, đó là: cho phép xây dựng công trình theo hướng công nghiệp hóa

đổ toàn khối hoặc lắp ghép từ các cấu kiện kích thước lớn chế tạo sẵn ở các nhà máy bê tông, tăng khả năng làm việc của các công trình nhờ giảm số mạch xây, không phải qua khâu gia công nhiệt,

Các công trình BTCN có thể đổ toàn khối hay lắp ghép được sử dụng rộng rãi trong các ngành công nghiệp khác nhau: Luyện kim đen, màu; công nghiệp hóa chất; công nghiệp vật liệu xây dựng, công nghiệp năng lượng, chế biến dầu mỏ,

II.2.1 Tinh hình sử dụng bê tông chịu nhiệt trên thế giới.

1 Bê tông chịu nhiệt dùng trong công nghiệp luyện kim đen.

850oC Kết cấu vòm lò này làm việc được 1 8 tháng, trong khi nếu làm từ gạch sa mốt thời gian

sứ dụng.chỉ được có 3 tháng

Ở Tiệp Khắc, năm 1965 đã tiến hành nghiên cứu và sử dụng BTCN (nặng và nhẹ) trong xây dựng các thiết bị nhiệt BTCN được sử dụng xây dựng các lò buồng đốt có đáy lò di động, được

sử dụng làm tấm che, cửa chắn, ống khói, kênh dẫn Nhiệt độ lớn nhất đặc biệt của lò là 1050oC

Bê tông chịu nhiệt sử dụng xi măng poóc lăng với phụ gia và cốt liệu sa mốt, bê tông nhẹ chịu nhiệt sử dụng cốt liệu peclit phồng trương, BTCN-CN sử dụng xi măng poóc lăng với phụ gia

xỉ lò cao

b Làm nền móng lò cao,ống khói và kênh dẫn.

Việc nghiên cứu các kết cấu của móng lò cao dùng BTCN được bắt đầu từ năm 1949 ở Nga, đến năm 1951 đã đưa vào sử dụng và đã chứng minh được sự bền vững và ổn định của nó trong quá trình làm việc

Bê tông chịu nhiệt được sử dụng rỗng rãi làm ống khói và kênh dẫn Việc xây dựng các ống khói rất nặng nhọc nên việc cơ giới hóa có một ý nghĩa quan trọng Năm 1966 , ở nhà máy luyện kim Caragandiski (Nga) đã thiết kế và xây dựng ống khói bằng BTCN với chất kết dính

là xi măng poóc lăng với phụ gia, cốt liệu keramzit Nhiệt độ sử dụng nhất là 700oC BTCN còn được sử dụng làm kênh dẫn khí nóng, bao gồm các block cao 2,5m, rộng 1,5 - l,8m Ở Tiệp

Khắc, các kênh dẫn khí thải của lò được làm từ BTCN có nhiệt độ sử dụng là 620oC, sau 15 tháng vẫn hoạt động tốt.

Phân xưởng cán thép của khu liên hợp luyện kim Magnhitogoski, tường của kênh dẫn khí nóng được làm từ các block chịu nhiệt, với chất kết dính là XMPL, phụ gia ,cốt liệu crommit, focsterit Qua 2,5 tháng, hao mòn của block là 10mm, còn khi dùng gạch thuật là 1,5-2 tháng

Ở CHLB Đức, nhà máy thủy tinh Ainkhait-thành phố Vaisvase đã tiến hành thử nghiệm chế tạo các kênh dẫn khói từ BTCN dùng XMPL với phụ gia và cốt liệu samốt có nhiệt độ sử dụng đền 900oC kết quả cho thấy độ bền vững, tuổi thọ, hiệu quả sử dụng hơn hẳn gạch samốt

Ở Ba lan, BTCN cũng được sử dụng tốt trong trong các kênh dẫn khí nóng, khí thải và ống khói với nhiệt độ làm việc là 900oC, thời gian sử dụng từ 8 đến 10 năm

c Buồng lắng xỉ và buông tích nhiệt của lò Mác tanh.

Người ta sử dụng BTCN-CN đóng vai trò vật liệu cách nhiệt trong buồng lắng xỉ và buồng tích nhiệt của lò Mác tanh Điều này cho phép chế tạo các cấu kiện cách nhiệt bằng phương pháp công nghiệp, tăng tuổi thọ của công trình cũng như đạt được hiệu quả kinh tế cao so với việc sử dụng vật liệu đơn chiếc là điatômit

2.Bê tông chịu nhiệt dùng trong công nghiệp luyện nhôm.

Nhà máy luyện nhôm Cadalacski (Nga) đã tiến hành thực nghiệm thay thế các vòng kim loại của lò điện phân bằng BTCN lắp ghép từ XMPL với phu gia, cốt liệu samốt, cho phép giảm chi phí thép, giảm giá thành do tăng mức độ lắp ghép cực canh của lò điện phân Ngoài ra ở nhà máy luyện nhôm Vongagrad đã tiến hành nghiên cứu sử dụng BTCN làm đáy lò điện phân luyện nhôm

3.Bê tông chịu nhiệt dùng trong công nghiệp chế biến dầu mỏ.

b Lo cháy bức xạ nhiệt "

BTCN dùng XMPL với phụ gia và cốt liệu sa mốt đã và đang được sử dụng để xây các lò bức xạ nhiệt, đóng vai.trò lớp lót và lớp chịu lực ở Nôvôquybưsav, Grozenski, Vongagrad và các nhà máy chế biến dầu khác ở Nga.

Ngoài ra còn có một số nhà máy chế biến dầu mỏ đã được sử dụng các loại BTCN khác nhau

để xây dựng lò ống chịu áp lực với nhiệt độ sử dụng từ 600- 1200oC Ở phần trên của lò có nhiệt độ từ 600-1200oC, được xây bằng BTCN dùng XMPL với cốt liệu agloporit và BTCN dùng XMPL với phụ gia và cốt liệu sa mốt, phần dưới lò có nhiệt độ 1000oC được xây bằng BTCN dùng XMPL với phụ gia và cốt liệu sa mốt

4 Sử dụng trong chế tạo máy.

Năm 1959, phân xưởng rèn nhà máy Kirovski ở Xanh Peterbua (CHLB Nga) đã xây dựng lò gia công nhiệt các chi tiết Lò được xây dựng từ các block BTCN sản xuất từ XMPL với phụ gia và cốt liệu samốt, có nhiệt độ làm việc đến 1200oC Việc sử BTCN cho các lò có chế độ làm việc gián đoạn là rất hợp lý vì chúng làm việc không kém gì so với làm từ vật liệu chịu lửa đơn chiếc

Ớ Tiệp Khắc, BTCN còn được sử dụng làm các khuôn đúc gang với nhiệt độ làm việc là

1230oC trong thời gian 1 phút, sử dụng được 10 chu kỳ

5 Dùng trong công nghiệp năng lượng.

Năm 1958, ở Đức đã bắt đầu nghiên cửu và sử dụng BTCN trong các thiết bị nồi hơi của trạm lớn ở Trattendorph Ba nồi hơi được lót bằng các tấm BTCN chế tạo từ XMPL với cốt liệu samốt, chịu được nhiệt độ từ 800- 1000oC

Năm 1959, trạm phát điện Biolen (Đức) cũng đã sử dụng các block BTCN lót lớp bề mặt đốt nóng nồi hơi số 6 Các block BTCN dùng XMPL với cốt liệu sa mốt ở nhiệt độ làm việc 600oC, thời gian sử dụng sau 17 tháng vẫn không có vết nứt Việc sử dụng các block BTCN này rút ngắn được 25% thời gian xây dựng

6.Trong công nghệ vật liệu xây dựng.

a Làm lò tuynen nung gạch: Năm 1959 nhà máy gạch Novô-mantiski, nhà máy

Usti-kamenogorski, nhà máy thực nghiệm Glebưtrevski(nga) đã xây dựng lò tuynen nung gạch từ các cấu kiện bê tông cốt thép chịu nhiệt lắp ghép, nhiệt độ nung là 970oC Các panen, các block làm tường, vòm, nền dùng BTCN từ XMPL với phụ gia và cốt liệu sa mốt Ngoài ra BTCN còn được sử dụng làm lớp lót cho toàn bộ va gông của các lò trên

b Làm lò nung gạch: Nhà máy gạch Novô-mantiski, Ziminski (Nga) đã sử dụng BTCN từ

XMPL với phụ gia tro thải, cốt liệu samổt làm 18 buồng của lò vòng nung gạch đất sét, nhiệt độ

từ 850-970oC

Ở Tiệp Khắc, Ba lan BTCN dùng XMPL với cốt liệu sa mốt có nhiệt độ làm việc từ 900-

1000oC cũng được sử dụng để xây lò vòng nung gạch

II.2 Tình hình hình sử dụng bê tông chịu nhiệt nặng, nhẹ Ở Việt Nam.

Ở Việt Nam việc sử dụng BTCN hãy còn những hạn chế, bởi vì việc nghiên cứu còn chưa được đầy đủ và toàn diện Ở một số nơi đã sử dụng BTCN như : nhà máy nhiệt điện Phả Lại đã dùng xi măng alumin với cốt liệu sa mốt Nhà máy kính Đáp Cầu sử dụng BTCN từ XMPL với phụ gia xi lò cao và cốt liệu sa mốt Bộ môn Công nghệ vật liệu xây dựng-trường ĐHXD và Viện kỹ thuật xây dựng Hà Nội đã nghiên cứu BTCN dùng XMPL với phụ gia và cốt liệu samốt, xây kênh khí nóng lò tuy nen nhà máy gạch Phúc Thịnh Hà Nội Bộ môn Công nghệ vật liệu xây dựng - trường ĐHXD và nhà máy sứ Thanh Trì Hà Nội đã nghiên cứu chế tạo BTCN làm lớp lát va gông nung sứ dùng XMPL với phụ gia samốt, xỉ và hỗn hợp samốt-xỉ, cốt liệu sa mốt Bộ môn Công nghệ vật liệu xây dựng - trường ĐHXD và nhà máy xi măng Hệ Dưỡng -Ninh Bình đã nghiên cứu chế tạo và sử dụng bê tông cốt thép chịu nhiệt dùng XMPL với phụ gia và cốt liệu sa mốt làm chóp lò đứng nung clanhke xi măng làm việc ở 1000oC Bộ môn Công nghệ Vlxd-trường ĐHXD và Công ty sản xuất kinh doanh vật liệu xây dựng thành phố Thái Bình đã nghiên cứu chế tạo BTCN dùng XMPL xây các bộ phận của lò tuy nen nung gạch: kênh dẫn khí nóng, ống rót nhiên liệu, lớp lót va gông nung

Nhìn chung các vấn đề nghiên cứu và sử dụng BTCN từ các nguyên liệu trong nước, tới các đặc điểm công nghệ sản xuất trong điều kiện của nước ta có ý nghĩa to lớn và cấp thiết

CHƯƠNG 3: CƠ SƠ LÝ LUẬN KHOA HỌCNGHIÊN CỨU BÊ TÔNG CHỊU NHIỆT - CÁCH NHIỆT

Bê tông chịu nhiệt- cách nhiệt hiện nay được tạo lên bởi các nguyên vật liệu chủ yếu sau:

- Chất kết dính chịu nhiệt: Để làm chất kết dính chịu nhiệt có thể sử dụng nhiều loại như xi măng ngóc lăng, xi măng ngóc lăng hỗn hợp với các phụ gia chịu nhiệt, thuỷ tinh lỏng, các loại

xi măng đặc biệt có khả năng chịu nhiệt như xi măng alumin, xi măng periclazo .

- Chất tạo rỗng: Tuỳ theo phương pháp công nghệ, chất tạo rỗng trong bê tông chịu cách nhiệt có thể là chất tạo khí hoặc chất tạo bọt

nhiệt-Chất tạo khí có thể dùng là H2O2; bột nhôm(Al), và hiện nay thường dùng nhất là bột nhôm Các loại chất tạo bọt có thể dùng là xà phòng- keo nhựa thông, huyết thuỷ phân và các chất tạo bọt tổng hợp khác

- Nước và các phụ gia khác: Nước để sản xuất bê tông chịu nhiệt-cách nhiệt cũng giống như đối với bê tông thường tức là cũng phải đảm bảo các yêu cầu về độ pH, hàm lượng muối sun

phát, ngoài ra khi chế tạo có thể sử dụng phụ gia như phụ gia rắn nhanh .yêu cầu với các loại

phụ gia là không tạo ra hợp chất kém bền dưới tác dụng của nhiệt độ cao và kéo dài

Như vậy, nguyên vật liệu sử dụng cho bê tông chịu nhiệt cách nhiệt rất đa dạng tuỳ thuộc theo điều kiện cụ thể và các yêu cầu thực tế mà lựa chọn nguyên vật liệu cho phù hợp, nhằm mang lại hiệu quả kinh tế kỹ thuật cao nhất

III.1 Chất kết dính chịu nhiệt sử dụng cho bê tông chịu nhiệt-cách nhiệt.

Để làm chất kết dính chịu nhiệt chúng ta có thể sử dụng nhiều loại vật liệu khác nhau phối hợp lại mà thành, và phổ biến nhất hiện nay là sử dụng xi măng poóc lăng, bởi xi măng poóc lăng là chất kết dính hidrat có khả năng đông kết rắn chắc, phát triển cường độ trong môi trường nước và không khí

Thành phần hóa của xi măng chủ yếu gồm 4 ôxyt chính là CaO, SiO2, Al2O3 , Fe2O3 , các ôxyt này có hàm lượng: 95 - 98% trong klanke xi măng, ngoài ra còn các ôxyt khác như: Na2O, K2O, TiO2 với hàm lượng nhỏ và hầu hết có ảnh hưởng tôi đến các tính chất của xi măng, nhưng nếu hàm lượng chúng quá lớn sẽ làm giảm cường độ của đá xi măng

Thành phần khoáng của xi măng chủ yếu gồm các khoáng : Siiicat can xi (hàm lượng 70-80

%), các khoáng Aluminat Canxi, Alumo ferit can xi

- Khoáng Alít ( 3CaO.SiO2 - kí hiệu C3S ): chiếm 45-60% Đây là khoáng quan trọng nhất của xi măng, tạo cho xi măng có cường độ cao, đông kết rắn chắn nhanh và có ảnh hưởng nhiều đến tính chất của xi măng

- Khoáng Bêlít (2CaO.SiO2 - kí hiệu C2S ): chiếm khoảng 20-30% khối lượng clanke Đây là thành phần khoáng quan trọng, có đặc tính đông kết chậm nhưng cường độ cuối cùng tương đối cao, là dung dịch rắn của 2CaO.SiO2 với một lượng nhỏ (l-3%) các ôxít khác như Al2O3; Fe2O3; Cr2O3… nó tồn tại trong clanke xi măng poóc lăng ở 4 dạng thù hình α-C2S; β-C2S; γ-C2S; δ-C2S nhưng chủ yếu ở dạng α-C2S.

Ngoài ra, trong xi măng poóc lăng còn có các pha khác như: pha canxialumôferit, can xi aluminat, pha thủy tinh và một lượng CaO và MgO tự do

Khi bị đốt nóng ở nhiệt độ cao, thành phần pha và cấu trúc của đá xi măng pooclăng bị biến đổi:

- Khi đốt nóng từ: 100 - 200oC mẫu đá xi măng poóc lăng: tăng cường độ do sự "tự chung hấp của các khoáng xi măng poóc lăng

- Khi đốt nóng trên: 200oC thì cường độ bắt đầu giảm do sự mất nước lý học, khi tiếp tục tăng nhiệt độ từ 400 : 500oC, xảy ra sự tự tách nước của hydroxyt can xi tạo ra CaO gây ra phá

vỡ cấu trúc và giảm cường độ

- Khi đốt nóng từ: 600 - 900oC: thì đá xi măng bị phá hủy hoàn toàn sau khi giữ chúng trong không khí, do sự thủy hóa lần hai của CaO

- Khi đốt nóng ở nhiệt độ cao hơn mẫu bị phá hủy hoàn toàn

Trong quá trình đốt nóng đá xi măng poóc lăng xảy ra hiện tượng co ngót, phụ thuộc vào thành phần khoáng mà độ co đạt đến 1% và cao hơn

III.2 Cơ sở lý thuyết - thực nghiệm nghiên cứu chất kết dính chịu nhiệt:

Như trên đã phân tích về sự phá hủy cấu trúc của đá xi măng poóc lăng dưới tác dụng của nhiệt độ cao, xảy ra quá trình tách nước của hydroxit can xi tạo ra CaO tự do và quá trình thủy hóa lần hai của CaO tự do trong đá xi măng poóc lăng Mục đích sử dụng phụ gia khoáng nghiền mịn để chế tạo chất kết dính chịu nhiệt là: làm giảm sự co ngót của đá xi măng khi đốt nóng, liên kết với thành phần khoáng thủy hóa của xi măng, liên kết với CaO tự do hình thành các hợp chất có khả năng chịu nhiệt cao hơn

Bằng kết quả thực nghiệm G.M.Ruxuk đã xác định được nhiệt tỏa ra của xi măng poóc lăng tinh khiết và hỗn hợp xi măng poóc lăng với các phụ gia nghiền mịn khác (xỉ đất sét, trepel .) dưới tác dụng của nhiệt độ cao Ruxuk cho thấy quá trình thủy hóa lần hai của CaO trong XMPL tinh khiết và hỗn hợp xi măng poóc lăng với các phụ gia nghiền mịn khác xảy ra khác nhau:

- Trong xi măng poóc lăng tinh khiết, nhiệt tỏa ra tăng theo mức độ tăng nhiệt độ đốt nóng,

- Trong hỗn hợp xi măng poóc lăng - phụ gia nghiền mịn, nhiệt tỏa ra lớn nhất cho thấy được khi đốt nóng đến 300 - 400oC, sau đó giảm dần, đặc biệt sự tỏa nhiệt độ thấp nhất

Đưa phụ gia nghiền mịn vào trong xi măng poóc lăng dẫn tới giảm lượng chất nóng chảy trong một đơn vị thể tích (nó không cần quá lớn để gây biến dạng của vật liệu và không quá nhỏ

để làm chậm phản ứng của pha rắn và sự kết khối) Ngoài ra còn tăng lực ma sát bên trong giữa các phần của vật liệu do độ nhớt của các chất kết dính tăng lên, tăng nhiệt độ mềm dưới tải trọng cũng như độ chịu lửa chất kết dính

Phụ gia khoáng nghiền mịn đưa vào trong xi măng poóc lăng để làm giảm tương đối khối lượng pha lỏng và tăng độ chịu lửa, tăng nhiệt độ biến dạng dưới tải trọng của bê tông Do vậy chúng phải thỏa mãn các yêu cầu:

- Tương tác với các thành phần khoáng thủy hóa của đá XMPL và liên kết với oxit can xi tự

do ở nhiệt độ cao tạo thành các hợp chất mới có độ chịu lửa cao

- Hòa tan không đáng kể ở pha lỏng và không tạo thành những hợp chất có điểm ơtecti thấp khi tương tác với các khoáng của xi măng poóc lăng

- Không làm tăng co ngót của đá xi măng poóc lăng trong quá trình đốt nóng

- Không làm giảm hoạt tính của xi măng poóc lăng

Phụ gia đưa vào trong bê tông theo một tỷ lệ nhất định so với xi măng, khi đó hỗn hợp xi măng poóc lăng và phụ gia được gọi là chất kết dính chịu nhiệt (CKDCN) và bê tông được gọi

là bê tông chịu nhiệt Tính chất của BTCN phụ thuộc vào CKDCN Khi nghiên cứu BTCN cần phải biết sự thay đổi cường độ và các tính chất khác của CKDCN khi đốt nóng, các tính chất của nguyên liệu sử dụng Cường độ của đá CKDCN trong quá trình đốt nóng thay đổi phụ thuộc vào các yếu tố: loại phụ gia nghiền mịn, lượng dùng phụ gia, độ nghiền mịn của phụ gia, tỷ lệ

nước và chất kết dính

III.3 Phương pháp tạo rỗng cho bê tông chịu nhiệt – cách nhiệt:

Đối với các vật liệu chịu nhiệt – cách nhiệt cấu trúc rỗng ở rạng lỗ rỗng kín, có đường kính nhỏ, thể tích lỗ rỗng lớn, các lỗ rỗng phân bố đều trong vật liệu, nhưng vẫn đảm bảo những đặc tính kỹ thuật của vật liệu: độ bền…

Cấu trúc rỗng tổ ong của vật liệu cách nhiệt bao gồm các lỗ rỗng tổ ong (lỗ rỗng lớn) và các

lỗ rỗng trong các vách ngăn giữa các lỗ rỗng lớn (lỗ rỗng bé) Việc nghiên cứu chế tạo vật liệu cách nhiệt có lượng lỗ rỗng lớn, mà vẫn đảm bảo các tính năng của vật liệu cũng như các chỉ tiêu về kinh tế kỹ thuật của vật liệu là hết sức cần thiết

Theo kết quả thực nghiệm, các nhà khoa học thấy cấu trúc rỗng lý tưởng của vật liệu cách nhiệt – chịu nhiệt được xác định theo công thức sau:

Rto = 0.812*(d/D+δ)3*100 (%)

Với: Rto : Độ rỗng của vật liệu

D : Đường kính trung bình của lỗ rỗng

δ : Chiều dày trung bình vách ngăn lỗ rỗng

Ngoài lõ rỗng tổ ong trong vật liệu chịu nhiệt cách nhiệt còn có ,ột lượng lỗ rỗng mao quản

và lõ rỗng gel, và các lỗ rỗng trên tính toán được theo công thức:

Lỗ rỗng mao quản:

Rmq = 0.001*(N-Wi*a*X) (%)

Với: N : Lượng dùng nước trong 1m3 vật liệu

X : Lượng dùng xi măng trong 1m3 vật liệu

Wi : Lượng nước liên kết hoá học, vật lý của các gel

a : Mức độ thuỷ hoá

Lỗ rỗng gel:

Rgel = 0.01*j*a*X (%)

Với: j : Thể tích nước liên kết gel hấp phụ

Theo kết quả nghiên cứu các nhà khoa học thấy rằng: trong bê tông tổ ong cách nhiệt thể tích

lỗ rỗng mao quản chiểm khoảng: 5 – 12% thể tích lỗ rỗng vật liệu và thể tích lỗ rỗng gel chiếm khoảng 1.5 – 2.5% thể tích lỗ rỗng vật liệu Khi mật độ trung bình của bê tông càng cao hay chiều dầy vách ngăn giữa các lỗ rỗng lớn các lớn và lượng dùng nước trong một mét khối vật liệu càng tăng thì lỗ rỗng mao quản và lỗ rỗng gel càng tăng tuy nhiên khi đó lỗ rỗng tổ ong của vật liệu lại giảm và giảm rất lớn Đồng thời cấu trúc rỗng của vật liệu được thể hiện qua các đặc trưng:

- Sự phân bố của các lỗ rỗng trong vật liệu: đồng đều hay không đồng đều

- Chiều dầy các vách ngăn giữa các lỗ rỗng

- Mật độ vách ngăn giữa các lỗ rỗng

- Hình dạng lỗ rỗng

- Đặc điểm bề mặt bên trong của lỗ rỗng

- Sự đóng kín của cấu trúc tổ ong

Khi chế tạo cấu trúc rỗng cho vật liệu chịu nhiệt – cách nhiệt cần có biện pháp đảm bảo các đặc trưng này

Phương pháp tạo rỗng cho vật liệu chịu nhiệt – cách nhiệt được lựa chọn tuỳ theo phương pháp công nghệ, chất tạo rỗng trong bê tông chịu nhiệt-cách nhiệt có thể là chất tạo khí hoặc chất tạo bọt Chất tạo khí có thể dùng là H2O2 hay bột kim loại nhôm (Al), nhưng hiện nay thường dùng nhất là bột nhôm kim loại

Để tạo ra bê tông chịu nhiệt - cách nhiệt sử dụng chất tạo khí thì quá trình tách khí tạo rỗng trong bê tông có thể sảy ra do các nguyên nhân sau:

- Tác dụng lẫn nhau giữa các chất tạo khí (ví dụ: bột nhôm) với các sản phẩm thuỷ hoá của chất kết dính giải phóng hyđrô:

2Al + 3Ca(OH)2 +6H2O -> 3CaO.Al2O3.6H2O + 3H2

- Phản ứng tạo khí của các chất không ổn định

Trong công nghệ chế tạo bê tông.khí, chất tạo khí sử dụng phổ biến nhất là bột nhôm

Bột nhôm sử dụng có độ mịn rất lớn 4000 - 6000 cm2/g Độ mịn càng lớn, bột nhôm càng phân bố đều trong hỗn hợp, tăng hiệu quả tạo khí, do đó giảm được lượng dùng bột nhôm, đồng thời tạo ra lỗ rỗng bé phân bồ đồng đều hơn làm tăng cường độ

Hiện nay để sản xuất bê tông khí thường sử dụng bột nhôm do Liên Xô cũ sản xuất Có 4 mác khác nhau từ: nAK1 đến nAK4 Trong sản xuất bê tông khí sử dụng hợp lý nhất là loại:

nAK2 và nAK3

Khi sản xuất bột nhôm được bao bọc bởi một màng parafin mỏng để tránh sự ôxy hoá Trước khi sử dụng, bột nhôm cần được gia công sơ bộ để tách màng bọc parafin

CHƯƠNG 4 CÁC PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU

IV.1 Các phương pháp nghiên cứu các tính chất của chất kết dính chịu nhiệt.

- Các chỉ tiêu như khối lượng riêng, khối lượng thể tích, độ mịn, lượng nước tiêu chuẩn, thời gian ninh kết, tính ổn định thể tích được xác định theo TCVN 2682-1992

- Xác định độ co thể tích của đá chất kết dính chịu nhiệt: TCVN 201 - 1986

- Độ chịu lửa của CKDCN được xác định theo tiêu chuẩn TCVN 1 79- 1 996

- Phân tích nhiệt DTA – DTG

- Phương pháp phân tích nhiễu xạ Rơ nghen nghiên cứu sự hình thành các hợp chất mới, là các khoáng mới tạo thành nhờ phản ứng vật chất ở trạng thái rắn trong quá trình đốt nóng Đồng thời giải thích sự hình thành của các khoáng mới bền nhiệt, nâng cao tính chịu nhiệt cho vật liệu

- Phân tích thạch học bằng phương pháp chụp vi điện tử, phân tích cấu trúc trên cơ sở sự hình thành cấu trúc của các mẫu ở các cấp nhiệt độ khác nhau và cấu trúc của các khoáng bền nhiệt mới được tạo ra, từ đó giải thích bản chất các tính chất cơ lý và tính chất chịu nhiệt của nguyên vật liệu nghiên cứu

IV.2 Phương pháp nghiên cứu hỗn hợp bê tông chịu nhiệt – cách nhiệt:

IV.2.1 Tính toán cấp phối bê tông chị nhiệt – cách nhiệt:

Tính: Lượng dùng xi măng:

Pxm =

)1(

0

C K

Pxm: lượng dùng xi măng, kg

γ0bt: KLTT bê tông ở trạng thái khô, g/cm3V: Thể tích 1m3 mẻ trộn

Kcx: Hệ số tăng khối lượng vật chất khô do lượng nước liên kết trong

quá trình rắn chắc của bê tông (Kcx = 1,1) C: Tỷ lệ lượng phụ gia pha trộn với XMPL, tỷ lệ này phụ thuộc

vào loại PG và nhiệt độ sử dụngTính: Lượng dùng nước:

Pn = (Pxm + PPG )

R

N

, kgTrong đó:

PPG: Lượng dùng phụ gia khoáng nghiền mịn, kg

ahh

γ1

axm PG aPG

aPG axm a

A A

x

γγ

γγγ

+

=

·XMTrong đó:

γaxm: Khối lượng riêng của xi măng, g/cm3.Axm: Hàm lượng xi măng trong hỗn hợp CKD

γaPG: Khối lượng riêng của phụ gia, g/cm3.APG: Hàm lượng của phụ gia trong hỗn hợp CKDTính: Lượng dùng chất tạo khí

α: Hệ số sử dụng chất tạo khí (α = 0.75 – 0.8)K: Sản lượng tạo khí của một đơn vị chất tạo khí,

theo lý thuyết k = 1390l/kg, thực tế: k = 1350l/kg

IV.2.2 Các phương pháp xác định tính chất của hỗn hợp bê tông và bê tông chịu nhiệt – cách nhiêt:

• Độ chảy của vữa bê tông khí được xác định như sau:

Dụng cụ sử dụng gồm một hình trụ bằng đồng hoặc đồng thau đường kính trong 5cm, chiều cao 10 cm và tấm thuỷ tinh có kích thước mỗi cạnh là 40cm Trên tấm thuỷ tinh qua mỗi 0,5cm vạch một đường tròn xung quanh tâm với đường kính lớn nhất là 40cm

Quy trình thử nghiệm: đặt tấm thuỷ tinh nằm ngang, còn hình trụ ở tâm các vòng tròn đồng tâm Đổ vữa đã trộn trước với bột nhôm vào hình trụ, sau đó nhấc hình trụ lên theo phương thẳng đứng Vữa sẽ được chảy loang trên tấm thuỷ tinh do tác dụng của trọng lượng bản thân

• Xác định độ co thể tích và khối lượng thể tích