Chất kết dính vô cơ

Chất kết dính vô cơ là những vật liệu vô cơ thường ở dạng bột, khi nhào trộn với dung môi thích hợp cho hỗn hợp dẻo có thể gắn kết các vật liệu rời và sau đó trong điều kiện thích hợp có kh

Chương 7

CHẤT KẾT DÍNH VÔ CƠ 7.1 Khái niệm chung

Chất kết dính vô cơ là những vật liệu vô cơ thường ở dạng bột, khi nhào trộn với dung môi thích hợp cho hỗn hợp dẻo có thể gắn kết các vật liệu rời và sau đó trong điều kiện thích hợp có khả năng tự rắn chắc tạo thành đá nhân tạo Lợi dụng khả năng này người ta sử dụng chúng để gắn các loại vật liệu rời rạc (cát, đá, sỏi ) thành một khối đồng nhất như trong công nghệ chế tạo bê tông, gạch silicát, vữa xây dựng, các sản phẩm ximăng, amiăng và các loại vật liệu đá nhân tạo khác

Tuỳ theo phạm vi sử dụng người ta chia chất kết dính vô cơ thành 2 loại: chất kết dính vô cơ rắn trong không khí - là loại chỉ dùng trong không khí và chất kết dính vô cơ rắn trong nước - là loại sử dụng trong cả môi trường nước và không khí

Về thànhphần hoá học những chất kết dính vô cơ phổ biến nhất thường chứa 4 nhóm ôxit chính : CaO (có thể BaO, K2O, Na2O), SiO2, Al2O3, Fe2O3 Những ôxit này tác dụng với nhau với tỷ lệ nhất định tạo ra những khoáng khác nhau Những khoáng này quyết định đến tính chất chất kết dính vô cơ Đối với chất kết dính vô cơ rắn trong nước hay dùng môđun thuỷ lực (m) để đánh giá chất lượng:

7.2 Vôi rắn trong không khí

Vôi là 1 trong những chất kết dính vô cơ lâu đời nhất, được sản xuất từ đá vôi (thành phần chính là khoáng canxít CaCO3) Khi nung, đá vôi phân giải tạo ra vôi (thành phần chính là CaO) Để phân giải hết 1 phân tử gam CaCO3 cần 42.5kCal Trước khi sử dụng vôi phải tôi (cho vôi tác dụng với nước), khi đó có hiện tượng toả nhiệt, cứ 1 phân tử gam CaCO3 tác dụng với nước tạo ra Ca(OH)2 và toả ra 15,5kCal Để xác định chất lượng của vôi người ta dùng nhiều chỉ tiêu khác nhau, trong đó độ hoạt tính của vôi (x) là 1 trong những chỉ tiêu quan trọng nhất

vCaO

ngắn thời gian tôi và nâng cao chất lượng vôi, trong các nhà máy việc tôi vôi được thực hiện trong máy tôi

Vôi được sử dụng ở 2 dạng: vôi chín và bột vôi sống

7.3 Thạch cao

Thạch cao xây dựng là chất kết dính vô cơ rắn trong không khí được sản xuất từ đá thạch cao thiên nhiên (thành phần chính là CaSO4.2H2O) Khi nung đá thạch cao ở nhiệt độ thích hợp được thạch cao xây dựng (thành phần khoáng chính là CaSO4.1/2H2O) Khi trộn với nước nó sẽ tác dụng với nước và tạo thành đá thạch cao (thành phần chính là CaSO4.2H2O)

Thạch cao xây dựng rắn chắc nhanh (kết thúc ninh kết không quá 30 phút), nhưng cường độ thấp và chỉ bền trong không khí, được sử dụng chủ yếu là vật trang trí trong nhà, nơi khô ráo Tính chất quan trọng của thạch cao xây dựng là độ mịn và cường độ chịu nén Thạch cao xây dựng được chia thành 2 loại dựa vào 2 tính chất chính như trên (phụ lục 3 - 1)

7.4 Thuỷ tinh lỏng

Thuỷ tinh là một dung dịch rắn ở dạng vô định hình nhận được bằng cách làm nguội khối silicát nóng chảy Quá trình chuyển đổi từ trạng thái lỏng sang trạng thái thuỷ tinh (vật rắn) là quá trình thuận nghịch Đặc điểm của trạng thái thuỷ tinh là không có điểm chất tính đẳng hướng Công nghệ luyện thuỷ tinh được môt tả trong hình 7.1

7.4.1 Lò luyện thuỷ tinh

Trong xây dựng sử dụng hầu như thuỷ tinh silicát, cấu tử chính của nó là SiO2 Tuỳ thuộc vào dạng và công dụng , thành phần thuỷ tinh gồm các oxit sau (theo khối lượng): SiO2:64-73.4; Na2O:10-15.5; K2O:0-0.5; CaO:2.5-26.5; MgO:0-4.5; Al2O3:0-7.2; Fe2O3:0-0.4; SO3:0-0.5; B2O3:0-5

Mỗi oxit có một vai trò riêng trong quá trình nấu để hình thành tính chất của thuỷ tinh Oxit natri làm rút ngắn quá trình nấu vì nó làm nhiệt độ nóng chảy, nhưng lại giảm độ bền hoá.; Ôxít kali tạo màu sáng và làm tốt hơn tính xuyên sáng; ôxít canxi làm tăng độ bền hoá; ôxít nhôm làm tăng cường độ, bền nhiệt và bền hoá; ôxít bo làm tăng tốc độ nấu thuỷ tinh Trong sản xuất thuỷ tinh và pha lê quang học để nâng cao độ chiết quang người ta còn cho thêm ôxít chì

Nguyên liệu chính để sản xuất thuỷ tinh gồm có nguyên liệu khoáng và một số sản phẩm công nghiệp như cát thạch anh, sôđa, đôlômit, đá vôi, trường thạch, sunfat natri

Hình 7.1 Lò luyện thuỷ tinh

Ngoài ra hiện nay người ta đã bắt đầu sử dụng rộng rãi chất thải công nghiệp: xỉ luyện kim, vật liệu chứa thạch anh, mảnh thuỷ tinh

Nguyên liệu phụ (các chất làm trong, chất khử, chất tạo màu ) có tác dụng rút ngắn quá trình nấu và tạo cho thuỷ tinh có tính chất yêu cầu

Các quá trình công nghệ: việc sản xuất thuỷ tinh xây dựng bao gồm các quá trình chính sau: gia công nguyên vật liệu, chuẩn bị phối liệu, nấu thuỷ tinh, tạo hình sản phẩm và ủ sản phẩm

Gia công bao gồm đập và nghiền nguyên vật liệu ở dạng cục (đôlômít, đá vôi, than), sấy nguyên liệu (cát, đôlômít, đá vôi), sàng các cấu tử qua sàng có đường kính cho trước

Chuẩn bị phối liệu là làm đồng đều, cân và trộn phối liệu: phối liệu đựoc coi là có chất lượng nếu sai số không vượt quá 1%

Nấu thuỷ tinh đựơc tiến hành ở các loại lò đặc biệt hoạt động liên tục hoặc gián đoạn Để làm tăng độ trong và độ đồng nhất, khối thuỷ tinh phải được nâng đến 1500 – 16000C Tại đây độ nhớt của chất lỏng giảm xuống tạo điều kiện tách khí dễ dàng và nhận đựơc một khối đồng nhất Quá trình nấu thuỷ tinh đựơc kết thúc bằng việc làm nguội đến nhiệt độ để có một độ nhớt thích hợp cho việc gia công sản phẩm Công tác tạo hình sản phẩm đựoc tiến hành bằng các phương pháp khác nhau: kéo , rót , cán, ép và thổi, nổi Việc tạo hình kính đựoc thực hiện bằng cách kéo đứng hoặc kéo ngang các băng thuỷ tinh từ dung dịch, phương pháp kéo đựoc sử dụng để chế tạo các tấm dày 2,6mm Băng được kéo từ khối nóng chảy qua các thuyền (thanh chị nhiệt có rãnh dọc) bằng các con lăn quay của máy hoặc bằng bề mặt tự do của khối thuỷ tinh Phương pháp nổi là phương pháp hoàn hảo nhất, có năng suất cao Nó cho chất lượng bề mặt của kính cao Đặc biệt của phương pháp này là quá trình tạo băng thuỷ tinh trên bề mặt thiếc chảy lỏng do khối thuỷ tinh trào ra Bề mặt của tấm băng thuỷ tinh phẳng và nhẵn, cũng không cần phải đánh bóng nữa

Ủ: là công đoạn cuối bắt buộc khi chế tạo sản phẩm ủ để tránh hiện tượng phát sinh nội ứng suất lớn có thể gây ra sự phá hoại sản phẩm nhằm cố định hình dạng của chúng

Tôi: là công đoạn cuối cùng để chế tạo thuỷ tinh với cường độ chịu nén cao hơn 4-6 lần và cường độ chịu uốn cao hơn 5-8 lần so với thuỷ tinh thường ủ đựơc thực hiện bằng cách đưa thuỷ tinh đến trạng thái dẻo sau đó làm lạnh sâu bề mặt của nó

Công đoạn cuối cùng là mài nhẵn, đánh bóng và trang trí

Các tính chất cơ bản của thuỷ tinh bao gồm: khối lượng riêng, độ bền hoá, đặc tính cơ học, tính quang học , tính dẫn nhiệt, khả năng cách âm, khả năng gia công cơ học

Sản phẩm thuỷ tinh đựơc dùng trong xây dựng bao gồm: Kính phẳng, block thuỷ tinh rỗng, ống thuỷ tinh, sợi thuỷ tinh, vải thuỷ tinh Một số sản phẩm thuỷ tinh được trình bày trên hình7.2

7.4.2 Chất kết dính hỗn hợp

Chất kết dính hỗn hợp rất đa dạng Trong xây dựng thường gặp dạng hỗn hợp của vôi và phụ gia vô cơ hoạt tính nghiền mịn Chúng được sản xuất bằng cách nghiền chung vôi sống và phụ gia hoạt tính hoặc trộn lẫn vôi nhuyễn với phụ gia nghiền mịn

Phụ gia vô cơ hoạt tính có 2 nhóm chính: loại thiên nhiên như đá có nguồn gốc núi lửa, xỉ trong công nghiệp nhiệt điện hoặc luyện kim, điatômit, trepen, hoặc cũng có thể sản xuất theo công nghệ riêng (nung đấtsét có thành phần thích hợp)

Nói chung, phụ gia vô cơ hoạt tính là những vật liệu chứa nhiều khoáng SiO2 vô định hình Độ hoạt tính của chúng được đánh giá thông qua độ hút vôi

Tỉ lệ phối hợp của chất kết dính hỗn hợp là : vôi sống 15-30%, phụ gia hoạt tính 80% (có thể thêm cả thạch cao)

70-Chất kết dính hỗn hợp có phạm vi sử dụng rãi hơn vôi Nó có thể dùng để chế tạo bê tông mác thấp, vữa xây dựng trong môi trường không khí và cả môi trường ẩm ướt

7.5 Ximăng pooclăng và ximăng đặc biệt

Xi măng pooclăng là chất kết dính quan trọng nhất trong xây dựng, được sản xuất từ 2 nguyên liệu chính là đá vôi và đất sét Sau khi gia công cơ học và nung ở nhiệt độ 14500C được clinke ximăng Sau đó nghiền clinke với 1 hàm lượng đá thạch cao thích hợp được Xi măng pooclăng Thành phần hoá học chính của Xi măng pooclăng như sau:

CaO : 63 - 66% SiO2 : 21 - 24% Fe2O3 : 2 - 4% MgO : 0.5 - 5%

Hình 7.2 Một số sản phẩm thuỷ tinh

Al2O3 : 4 - 8%SO3 : 0.3 - 1%

Trong xi măng các ôxit này tác dụng với nhau tạo ra 4 thành phần khoáng chính: 3CaO.SiO2 ( viết tắt C3S) : 42 - 64%

2CaO.SiO2 ( viết tắt C2S) : 12 - 15 % 3CaO.Al2O3 ( viết tắt C3A) : 2 - 15%

4CaO Al2O3.Fe2O3 ( viết tắt C4AF) : 10 - 25%

Để đánh giá tổng quát hơn thành phần của xi măng thường dùng các hệ số : 1 Hệ số kiềm ( môđun thủy lực):

(m = 1,9 - 2,4) (7- 3) 2 Hệ số silicát

(n = 1,7 - 3,5) (7- 4) 3 Hệ số aluminat :

Khi trộn xi măng pooclăng với nước chúng sẽ tác dụng với nhau tạo một số khoáng hyđrat chính như sau : mCaO.nSiO2.pH2O (hay gặp ở dạng 3CaO.2SiO2.3H2O), Ca(OH)2, 3CaO.Al2O3.6H2O, nCaO.Fe2O3.mH2O (hay gặp ở dạng 3CaO Fe2O3.6H2O) và 3CaO.Al2O3.3CaSO4.32H2O Các khoáng hyđrat biến đổi sẽ làm cho xi măng rắn chắc Để đánh giá chất lượng xi măng người ta dựa vào các thông số khác nhau Nhưng thông số quan trọng nhất là mác xi măng Hiện nay trên thế giới thường dùng 2 phương pháp để xác định mác xi măng: phương pháp vữa cứng và phương pháp vữa dẻo

Đôi khi trong lúc nghiền xi măng người ta còn cho thêm 1 số phụ gia hoạt tính: xỉ, puzôlan, trêpen v.v…Những phụ gia này làm tăng tính bền của xi măng pooclăng, vì thành phần hoạt tính của phụ gia (SiO2 hoạt tính) sẽ tác dụng với Ca(OH)2 trong xi măng pooclăng khi trộn với nước để tạo ra silicát canxi ngậm nước bền hơn trong môi trường tự nhiên

Ximăng đặc biệt: để chế tạo ximăng đặc biệt người ta thường dùng các biện pháp sau đây:

+ Điều chỉnh thành phần khoáng vật và cấu trúc của clanke ximăng

+ Dùng các phụ gia vô cơ và hữu cơ để điều chỉnh tính chất và tăng hiệu quả kinh tế + Điều chỉnh thành phần hạt và tăng độ mịn của ximăng

Công nghệ sản xuất ximăng xem hình 7.3

Hình 7.3 Công nghệ sản xuất ximăng

Một số loại ximăng đặc biệt thường gặp là: ximăng pooclăng rắn nhanh (C3S và C3A chiếm khoảng 60-65% thể tích), ximăng poóclăng bền sunfat (C3S và C3A chiếm khoảng < 50% và < 5% thể tích), ximăng có phụ gia hữu cơ (cho thêm phụ gia hoạt động bề mặt), ximăng poóclăng có phụ gia vô cơ (đá trầm tích diatômít, trepen, đá có nguồn gốc núi lửa, tro nhiệt điện, xỉ lò cao), ximăng pooclăng trắng và màu (đá vôi và đất sét sạch) , ximăng aluminat (chứa thành phần CaO.Al2O3, đá vôi), ximăng nở và ximăng không co ngót (tổ hợp của một số chất kết dính, nhưng hiệu quả nhất là 3CaO.Al2O3CaSO4.31H2O)