Vật liệu xây dựng - chương 3

Tài liệu tham khảo về Giáo án vật liệu xây dựng.Khối lượng riêng là khối lượng của một đơn vị thể tích vật liệu ở trạng thái hoàn toàn đặc (không có lỗ rỗng)

Bài giảng VLXD-Chương 3 GVC-ThS. Cù Khắc Trúc – ThS. Lê văn Hải Châu 1 Chương III: VẬT LIỆU GỐM XÂY DỰNG Khái niệm chung: ở chương II, chúng ta đã nghiên cứu vật liệu đá thiên nhiên là những loại vật liệu qua quá trình gia công đơn thuần về cơ học mà có, do vậy, tính chất của loại vật liệu đó hoàn toàn giống như loại đá gốc ban đầu. Vật liệu đá thiên nhiên có những nhược điểm: γo > → hệ số truyền nhiệt λ↑ ⇒ nặng nề → chi phí đầu tư nền móng↑ → kinh phí vận chuyển lớn. I/ Nguyên liệu để chế tạo: Nguyên liệu chủ yếu để chế tạo gốm xây dựng là đất sét, sa mốt, xỉ than; cát thạch anh, phụ gia hữu cơ dễ cháy: mùn cưa, than cám, than bùn. 1/ Đất sét: Sự thành tạo dưới 2 dạng: • Trầm tích cơ học: do quá trình phong hóa thiên nhiên (nhiệt độ tăng giảm, gió bão, v dòng chảy) • Trầm tích hóa học: do sự tác dụng của các cấu tử trong môi trường đến một loại đá nào đó. Ví dụ: sự tác dụng của nước có chứa CO2 đến Feldspar Kali, sinh ra phản ứng và tạo khoáng vật mới: K2O.Al2O3.6SiO2 + 2H2O + CO2 → Al2O3.2SiO2.2H2O + K2CO3 + 4SiO2 (Kaolinit, đất sét cao lanh) Đất sét cao lanh: màu trắng đục, rất mịn hạt, rất tinh khiết, rất dẻo ⇒ dùng chế tạo gốm sứ. Còn đất sét: ngoài thành phần chủ yếu như kaolinit thì nó còn có các oxid khác như Al2O3 Do vậy, màu sắc của đất sét tuỳ thuộc vào hàm lượng các tạp chất vô cơ hoặc là các tạp chất hữu cơ mà trong đó nó chiếm đa số. Các phản ứng: Na2O. Al2O3.6SiO2 CaO.Al2O3.2SiO2 ⇒ sinh viên tự nghiên cứu 2/ Thành phần hóa học của đất sét dùng chế tạo sản phm gốm: Được đặc trưng bằng hàm lượng các oxid (%) có trong đất sét. Bảng III-1: Hàm lượng các Oxid (%) trong đất sét dùng chế tạo gốm xây dựng SiO2 td SiO2 Al2O3 Fe2O3 CaO MgO K2O và Na2O 15-30 40-60 8-22 1-7 0,5-4,5 0,5-3 1-3 Ở Việt Nam thành phần hóa học của đất sét dao động trong một phạm vi khá rộng ở các vùng khác nhau, thậm chí ở các khu vực khác nhau. + Tác dụng của từng oxid đến chất lượng sản phNm: - Al2O3 : đây là oxid chủ yếu nhất, quan trọng nhất có ảnh hưởng trực tiếp đến chất lượng sản phNm. Nếu Al2O3 tăng thì độ dẻo và độ chịu lửa của đất sét càng tăng lên. Nếu Al2O3 < 6-8 % ⇒ không sử dụng chế tạo gốm. Bài giảng VLXD-Chương 3 GVC-ThS. Cù Khắc Trúc – ThS. Lê văn Hải Châu 2 - SiO2 : đây là một oxid chủ yếu về mặt số lượng để hình thành đất sét và người ta cho phép % SiO2 tăng 60 ÷ 78%. Và nếu % SiO2 ≥ 80 ÷ 85% ⇒ không sử dụng chế tạo gốm. - Fe2O3 : oxid này có ảnh hưởng đến nhiệt độ nung và nhiệt độ thiêu kết của sản phNm. Nếu % Fe2O3 tăng thì nó sẽ hạ thấp nhiệt độ nung và nhiệt độ thiêu kết. Do vậy, người ta phải khống chế hàm lượng oxid này. - CaO, MgO : 2 oxid này làm cho sản phNm bị xốp (độ rỗng tăng) → Rsp giảm. Do vậy, người ta phải hạn chế. - K2O và Na2O : cũng gây chất lượng xấu cho sản phNm gần như CaO và MgO. - SiO2 td : cát thạch anh, có tác dụng làm hạn chế độ co ngót của sản phNm trong quá trình phơi, sấy, nung. Nếu SiO2 td tăng thì nguyên liệu rời rạc → khó tạo hình → chất lượng kém. 3/ Thành phần cỡ hạt của đất sét: Trong đất sét có nhiều loại cở hạt khác nhau nhưng người ta chia ra làm 3 nhóm chủ yếu sau đây: - Nhóm hạt sét: d < 0,005 mm - Nhóm hạt bụi : d = 0,005 ÷ 0,15 mm - Nhóm hạt cát: 0,15 ÷ 5 mm Người ta dựa vào tỉ lệ % hàm lượng nhóm hạt sét mà chi đất sét ra làm các loại với các tên gọi như sau: Bảng III-2 Tên đất Tỷ lệ % hàm lượng hạt sét - Đất sét tinh khiết - Đất sét - Đất sét pha - Đất cát pha nhiều sét - Đất cát pha ít sét - Đất cát - Cát > 60 30-60 20-30 15-30 10-15 5-10 < 5 II. Các tính chất cơ học chủ yếu của đất sét: 1/ Tính thấm nước: Đất sét trong trạng thái khô có chứa nhiều lỗ nhỏ li ti, và khi tiếp xúc với nước, nước sẽ chui vào các lỗ nhỏ li ti đó và làm các hạt sét nở bịt kín lỗ nhỏ lại, gọi là đất sét đang bành trướng thể tích → đất sét này có thể dùng làm vật liệu chống thấm trong môi trường nước. Mặt khác: tính thấm nước của đất sét còn phụ thuộc nước của môi trường. Bài giảng VLXD-Chương 3 GVC-ThS. Cù Khắc Trúc – ThS. Lê văn Hải Châu 3 Ở thí nghiệm a, dưới tác dụng của dung dịch NaCl làm cho các thành phần keo trong đất sét co lại, tạo thành các mao quản bên trong → nước chui qua được → môi trường có NaCl thì đất sét không chống thấm được. Ở thí nghiệm b, dưới tác dụng của nước làm các hạt sét nở ra và bịt kín các lỗ nhỏ lại, nước không chui qua được. Cho nên, ở trong môi trường này thì đất sét không thấm nước → đất sét có thể làm vật liệu chống thấm. 2/ Tính dẻo: Tính dẻo của đất sét là tính công nghệ quan trọng. Tính dẻo phụ thuộc vào: + Thành phần hóa học + Thành phần cỡ hạt của đất sét + Hình dạng và đặc trưng bề mặt của hạt sét + Lượng nước nhào trộn và lượng muối hòa tan. Để xác định độ dẻo của đất sét thì có nhiều phương pháp, nhưng hiện nay người ta thường sử dụng 2 phương pháp chủ yếu sau đây: a/ Xác định độ dẻo qua độ co ngót của đất sét nhuyễn trong không khí ứng với lượng nước nhào trộn được xác định. Theo phương pháp này chia làm 3 mức độ: - Đất sét có độ dẻo cao. - Đất sét có độ dẻo vừa. - Đất sét có độ dẻo kém dẻo. + Người ta đem nhào trộn đất sét khô với > 28 % lượng nước thì độ co ngót của sản phNm trên 10% + Người ta đem nhào trộn đất sét khô với 20 ÷ 28 % lượng nước thì độ co ngót của sản phNm trên 6÷10% + Người ta đem nhào trộn đất sét khô với < 20 % lượng nước thì độ co ngót của sản phNm trên < 6 %  Căn cứ vào công nghệ tạo hình hoặc trang thiết bị của nhà máy mà người ta sẽ lựa chọn cách nào. b/ Nén các bi đất sét: (D = 4-6 cm) Người ta nhào trộn đất sét khô với [17 ÷ 30] % nước, sau đó dùng máy nén chuyên dùng, lực 500 gf, 750 gf, 1000 gf… → xuất hiện vết nứt. Công thức: Kd = P × a NaCl H2O Đất sét Đất sét (a) (b) Bài giảng VLXD-Chương 3 GVC-ThS. Cù Khắc Trúc – ThS. Lê văn Hải Châu 4 - P: lực nén gf, Kgf - a: độ biến dạng của bi (cm) - Kd = [3 ÷ 3,5] Kgf.cm Hình III.1: máy nén chuyên dùng 1. Mâm nén dưới 2. Viên bi sắt 3. Mâm nén trên 4. Trục di động thẳng đứng 5. Phần trục khắc độ 6. Mâm đặt tải trọng 7. Gương phát hiện vết nứt 3/ Màu sắc của sản phm: Tuỳ thuộc chủ yếu vào tỷ lệ % Fe2O3 có trong nguyên liệu. Bảng III-3 Hàm lượng Fe2O3 (%) 0,8 1,3 2,7 4,2 5,5 8,5 10 Màu sản phNm sau khi nung Trắng Trắng đục Vàng nhạt Vàng cam Hồng cam Đỏ Hồng Nâu hồng Bảng III-3 là điều kiện cần (%Fe2O3 ) Điều kiện đủ là nhiệt độ nung phải phù hợp với tính chất nguyên liệu đó. 4/ Quá trình biến đổi lý hóa của đất sét: Khi gặp nhiệt độ trong lò nung tăng dần: - Khi gặp nhiệt độ to ≈ 100 oC thì nước tự do bắt đầu bốc hơi. Tại đây mới có sự biến đổi về mặt vật lý mà chưa có sự biến đổi về mặt hóa học. - Khi to ≈ 200 oC thì giai đoạn nước tự do bốc hơi kết thúc. - Khi to = 400 ÷ 650 oC thì nước liên kết hóa học bắt đầu bốc hơi, tạp chất hữu cơ cháy. - Khi to ≈ 750 oC thì giai đoạn “nước” hóa học bốc hơi kết thúc, trong đất sét hoàn toàn mất tính dẻo, các oxit tách ra ở dạng tự do, trong đất sét sinh ra lỗ nhỏ li ti. - Khi to ≈ 900 oC thì thành phần CaCO3 phân giải thành CaO+ CO2 ↑ - Khi to ≈ 1000 oC thì 2 oxit chủ yếu trong đất sét sẽ kết hợp với nhau tạo thành Al2O3 SiO2 (AS – khoáng silimanite) và 3Al2O3.2SiO2 (A3S2 – khoáng mullite) - Nếu tăng nhiệt độ lên 1 tí nữa thì một bộ phận đất sét chảy ra, lấp đầy các lỗ nhỏ li ti lại, làm cho sản phNm đặc lại, sản phNm có R. Ở nhiệt độ này, người ta gọi là nhiệt độ dung kết (nhiệt độ kết khối) của đất sét và tại thời điểm này được gọi là thời kỳ đất sét đang dung kết. 6 5 7 3 2 1 4 Hình III.1 Bài giảng VLXD-Chương 3 GVC-ThS. Cù Khắc Trúc – ThS. Lê văn Hải Châu 5 - Nếu tiếp tục tăng nhiệt độ lên nữa → đại bộ phận đất sét chảy → nhiệt độ này gọi là nhiệt độ chảy của đất sét → sản phNm mất hình dạng như khi tạo hình → phế phNm. Do vậy, để điều hành nhiệt trong lò, người ta chọn nguyện liệu có khoảng cách giữa nhiệt độ kết khối và nhiệt độ nóng chảy khá lớn, T = 70-100oC, gọi là khoảng nung - Để xác định nhiệt độ chảy của đất sét trong lò nung thì người ta có 2 phương pháp : + Đo trực tiếp dùng nhiệt kế điện hoặc nhiệt kế hồ quang ⇒ đắt tiền, dễ hư + Đo gián tiếp: • Chế tạo dụng cụ nón cụt tiêu chuNn (cône tiêu chuNn) • Nguyên liệu:  Đất sét cao lanh  Oxid nhôm  Cát thạch anh  Một số chất trợ dung khác  nghiền → sàng qua sàng 900 lỗ/cm2  phối hợp tỷ lệ khác → nón cụt có nhiệt độ chảy khác. Ban đầu, to = 600oC, 620 oC,640 oC,….2000 oC III/ Gạch đất sét nung: Quy trình công nghệ sản xuất gồm các bước sau: - Khai thác và vận chuyển. - Ngâm ủ và nhào luyện. - Tạo hình. - Phơi, sấy. - Nung. 1/ Khai thác- vận chuyển: Căn cứ vào công suất nhà máy → chọn phương tiện : hoàn toàn cơ giới, bán cơ giới. Dùng máy xúc bóc vỏ lớp đất canh tác: 20-30 cm. Chọn các phương tiện: băng chuyền bằng cao su, xe tự đổ. ⇒ Nhà máy gần nguồn nguyên liệu, khoảng cách vận chuyển là ngắn nhất ⇒ giảm chi phí. 2/ Ngâm ủ và nhào luyện: Mục đích: để đồng nhất về độ Nm và về thành phần hóa học → tạo hình dễ dàng, màu sắc đồng nhất. 3/ Tạo hình: Thiết bị: máy đùn - ép có vít xoắn (máy ép Lento). 4/ Phơi: nhiều nhược điểm - Ảnh hưởng của thời tiết - Sử dụng lực lượng công nhân đông Hình III.2: Sơ đồ máy ép Lento: 1. Cửa ra; 2. Đầu ép; 3. Xi lanh ép; 4. Cánh vít xoắn; 5. Phễu nạp liệu Bài giảng VLXD-Chương 3 GVC-ThS. Cù Khắc Trúc – ThS. Lê văn Hải Châu 6 - Thời gian phơi lâu: 8-15 ngày → W=5-8% - Chất lượng sản phNm không đều. Sấy: dùng phương pháp nhân tạo - Sấy bằng lò sấy tunnel. Ưu: + Có công suất lớn + Chất lượng sản phNm đều, chất lượng cao. + Thời gian sấy nhanh, 3-4 ngày + Giảm lực lượng lao động → hoàn toàn cơ giới hoá. (Sơ đồ mặt cắt dọc lò sấy tunnel) * Nguyên lý làm việc: - Sản phNm di chuyển, nguồn nhiệt cố định. - Sản phNm di chuyển ngược chiều với sự di chuyển của nguồn nhiệt. 5/ Nung: a) Lò nung gián đoạn b) Lò nung liên tục • Lò vòng Hốp-man (Hoffmann): Có thể hoạt động 4 động tác cùng một lúc: sấy khô- nung trước-nung- làm nguội. Ưu: + có công suất lớn + Hiệu quả sử dụng nhiệt cao. Nhược: + Không cơ giới hóa được khâu vào lò và ra lò + Điều khiển nhiệt phức tạp + Không cải thiện được điều kiện làm việc của công nhân. Nguyên lý làm việc: - Sản phNm cố định, nguồn nhiệt di động I- Vùng xếp gạch mộc vào lò II- Vùng sấy khô III- Vùng nung trước IV- Vùng nung V- Vùng làm nguội VI- Ra lò (ra sản phNm) VII- ChuNn bị vào lò. • Lò nung tunnel: Ưu: + Có công suất lớn + Chất lượng sản phNm tốt, đều + Hoàn toàn cơ giới hoá + Hiệu quả kinh tế cao nhất Nguyên lý làm việc: Sản phNm di chuyển, nguồn nhiệt cố định, nhiệt độ đầu vào 90oC Hình III.3: Sơ đồ mặt cắt ngang lò nung Hoffmann Bài giảng VLXD-Chương 3 GVC-ThS. Cù Khắc Trúc – ThS. Lê văn Hải Châu 7 NGÓI ĐẤT SÉT NUNG: Quy trình chế tạo ngói đất sét gần giống như quy trình công nghệ chế tạo gạch đất sét. Nhưng khác nhau ở một số điểm sau: + Về nguyên liệu: dẻo hơn, mịn hơn, không được lẫn tạp chất đặc biệt là CaCO3. Bởi vì: CaCO3 → CaO + CO2↑ Mưa + H2O → Ca(OH)2 (gây ngấm ngói) + Ngâm ủ và nhào luyện: phải kỹ hơn để đồng nhất về thành phần hóa, về độ Nm → cho màu sắc đồng nhất. + Tạo hình: 2 bước • Tạo tấm galette • Đưa vào máy ép - dập → ngói. Hiện nay, dùng máy ép - dập 5 mặt + Phơi và sấy: làm nước bốc hơi từ từ + Nung: tonung < tokết khối một ít. Hình III.4: Sơ đồ lò sấy tunen: 1. Truyền chất tải nhiệt; 2. Toa goòng chở gạch mộc; 3. Thu chất tải nhiệt; 4. Kênh trung tâm để chuyển chất tải nhiệt vào lò sấy. ↑ Sự chuyển động của toa goòng; ----→ sự chuyển động của khí. . III-1: Hàm lượng các Oxid (%) trong đất sét dùng chế tạo gốm xây dựng SiO2 td SiO2 Al2O3 Fe2O3 CaO MgO K2O và Na2O 1 5 -3 0 4 0-6 0 8-2 2 1-7 0, 5-4 ,5. giảng VLXD -Chương 3 GVC-ThS. Cù Khắc Trúc – ThS. Lê văn Hải Châu 1 Chương III: VẬT LIỆU GỐM XÂY DỰNG