Vật liệu xây dựng - chương 4

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)

Chương 4: CÁC CHẤT KẾT DÍNH VÔ CƠ

Khái niệm chung: những vật liệu được gọi là chất kết dính vô cơ (CKD VC) thường ở dạng bột mịn, sau khi đem nhào trộn với nước, sẽ sinh ra nhiều phản ứng lý hóa phức tạp:

- Lúc đầu biến thành một loại vữa dẻo dính

- Về sau đặc dần lại cứng như đá (trừ CKD Mangésium thì phải đem nhào trộn với MgCl2 và xi măng bền acid thì phải đem nhào trộn với thuỷ tinh lỏng)

Dựa vào môi trường rắn chắc mà người ta chia CKD VC ra làm 2 nhóm:

+ Nhóm các CKDVC rắn trong không khí: bao gồm vôi không khí CaO; thạch

cao xây dựng CaSO4.0,5 H2O; CKD Manhê MgO; xi măng anhydric CaSO4; thuỷ tinh lỏng R2O.nSiO2 Trong đó (R = Na với n = 2,5÷3; R = K với n = 3÷4)

Nhóm này có đặc điểm là sau khi đem nhào trộn với nước hoặc dung môi thì nó chỉ có thể rắn chắc và tăng cường độ trong môi trường không khí mà thôi

+ Nhóm các CKDVC rắn trong nước: bao gồm

- Vôi thủy: 2CaO.SiO2 (C2S); CaO.Al2O3 (CA), 2CaO.Fe2O3 (C2F) - CKD hỗn hợp: CaO + phụ gia vô cơ hoạt tính

- Xi măng la mã

- Xi măng Portland ⇒ C3S, C2S, C3A, C4AF - Các loại xi măng khác

Nhóm này có đặc điểm là sau khi đem nhào trộn với nước thì nó không những chỉ có thể rắn chắc và tăng cường độ trong môi trường nước, mà còn có thể rắn chắc và tăng cường độ trong môi trường không khí nữa

So sánh giữa hai nhóm CKD thì nhóm CKDVC rắn trong nước có phạm vi rộng rãi hơn, có cường độ cao hơn so với nhóm rắn trong không khí Nhưng không vì vậy mà người ta không nghiên cứu và phát triển nhóm CKDVC rắn trong không khí

I.Vôi không khí:

Nguyên liệu chủ yếu để chế tạo vôi không khí là đá vôi canxit CaCO3, mà trong đó hàm lượng tạp chất sét không lớn hơn 6%

Để chế tạo, người ta nung đá vôi đến một nhiệt độ thích hợp nhằm phân giải CaCO3 gọi là các phương trình phản ứng cấp nhiệt

Theo lý thuyết

CaCO3+ 42,52 Kcal → CaO + CO2 ↑CaCO3  →900oC

CaO + CO2 ↑Trong thực tế:

CaCO3 1000÷1200oC→

CaO + CO2 ↑Nhiệt độ nung phụ thuộc:

+ Mật độ của đá vôi xếp trong lò + Loại lò nung

+ Lượng nhiệt thất thoát Phản ứng thuận nghịch:

CaCO3 ⇌ CaO + CO2↑

Cho nên, để giải quyết vấn đề này, người ta phải giải phóng tốt CO2 trong lò nung và cung cấp lượng nhiệt cần thiết

Trong quá trình nung có thể xảy ra hai trường hợp:

+ Nếu nung non lửa thì sản lượng vôi thấp, vôi kém dẻo

+ Nếu nung quá lửa thì sản lượng vôi thấp, vôi kém dẻo, vôi rất khó tôi

Trong quá trình nung, sau khi CaCO3 phân giải thì sản lượng có được thường giảm

+ Tận dụng được hạn sượng (nung non lửa và nung quá lửa)

+ Phải đầu tư trang thiết bị

+ Dễ sinh ra bệnh nghề nghiệp ⇒ cần thiết kế hệ thống thông gió, bảo hộ lao động trang bị đầy đủ, chế độ chính sách

Vôi cục-CaO (vôi sống)

Bột vôi sống (CaO) Tôi vôi (CaO+H2O ) - Nghiền mịn

- Đóng bao

- Xuất xưởng - Vôi tả (vôi bột) - Vôi nhuyễn Ca(OH)2 - Vôi sữa

- Nước = 32,13% CaO - 50% Ca(OH)2 + 50% H2O - Ca(OH)2 <50% - γa = 2,2 g/cm3 - OK = 13cm - H2O > 50%

- γa = 1.2-1.4 g/cm3

4/ Các chỉ tiêu để đánh giá chất lượng vôi:

a) Nhiệt độ tôi và tốc độ tôi:

*Nhiệt độ tôi: là nhiệt độ cao nhất đạt được khi đem tôi 10g bột vôi sống với 20g nước trong một dụng cụ thí nghiệm chuyên dùng (bình 2 vỏ)

Dựa vào nhiệt độ tôi mà người ta chia vôi làm hai loại: + Loại vôi phát nhiều nhiệt, to ≥ 70oC

+ Loại vôi phát ít nhiệt, to < 70oC

*Tốc độ tôi: là thời gian kể từ khi cho vôi tôi với nước cho đến lúc đạt nhiệt độ cao nhất Dựa vào tốc độ tôi (v) mà người ta chia vôi làm 3 loại:

+ Vôi có tốc độ tôi nhanh: v < 5 phút + Vôi có tốc độ tôi vừa : v = 5-20 phút + Vôi có tốc độ tôi chậm v > 20phút

b)Xác định lượng vôi nhuyễn (lít) do 1kg vôi sống sinh ra

Dùng 200g vôi sống cục, có kích thước từ 5 - 10mm, cho vào dụng cụ có dung tích xác định (2 lít) đổ nước ngập l - 2cm Để tăng tốc độ tôi có thể đun trên bếp hoặc đèn

Không khí Nắp đậy Bột vôi sống

tomax

cồn Theo dõi nếu thấy có vết nứt bề mặt, vôi sôi lên, nước bị hút cạn, tiếp tục cho nước thêm đến khi vôi tôi xong và trên mặt có một váng nước mỏng thì được

Loại vôi nhuyễn này thường chứa 50% nước tự do và 50% Ca(OH)2, có độ cắm sâu của chùy 13cm (chùy OK thử độ dẻo của vữa)

Dùng ống đong đổ nước vào đầy ca, tìm dược thể tích vôi nhuyễn do 1kg vôi cục sinh ra

c) Xác định hàm lượng hạt sượng (%) do vôi cục sinh ra

Lấy hết vôi nhuyễn của thí nghiệm trên, cho nước vào đánh thành vôi sữa Lọc qua sàng No 063 (d = 0,63mm) cho đến khi nước lọc qua sàng trong là được

Sấy khô hạt sượng, để nguội trong bình hút Nm, cân tính tỉ lệ hạt sượng từ 200g vôi sống cục Dùng HCl 1% nhỏ vào hạt sượng để phân loại:

- Nếu hạt sượng sủi bọt: hạt sượng non lửa

- Nếu hạt sượng không sủi bọt: hạt sượng già lửa hoặc hạt cát, hạt đá khác lẫn vào d)Xác định độ hoạt tính của vôi (CaO + MgO)%

+ Dùng chất chỉ thị màu phénolphtaléin [2÷5]% + Dùng HCl 10%

Kết luận: dựa vào 4 chỉ tiêu để phân cấp vôi Hiện nay chi làm 3 cấp vôi:

+ Vôi cấp 1: vôi tôi nhanh, tốt nhất + Vôi cấp 2: vôi tôi trung bình + Vôi cấp 3: vôi tôi kém

Vữa vôi không được tính theo công thức, vữa vôi lấy theo tỉ lệ (theo V) + Vôi cấp 1: V/C = 1/4

+ Vôi cấp 2: V/C = 1/3 + Vôi cấp 3: V/C = 1/2

5/ Quá trình rắn chắc của vữa vôi:

a) Vữa dùng vôi nhuyễn: 2 giai đoạn - Giai đoạn 1: hòa tan và hóa keo

V+ C + N ⇒ vữa vôi (dẻo, dính, đặc dần lại → mất nước → ngưng keo) - Giai đoạn kết tinh ( carbonat hóa):

Ca(OH)2 + CO2 + nH2O → CaCO3 + (n+1)H2O

Quá trình rắn chắc của vữa vôi tiến triển rất chậm, có khi kéo dài hàng tuần, hàng tháng hoặc lâu hơn nữa Để tăng nhanh quá trình rắn chắc thì người ta có thể sử dụng các biện pháp sau đây:

+ Dưỡng hộ vữa vôi bằng khí CO2+ Sử dụng phụ gia:

b) Vữa sử dụng bột vôi sống:

Quá trình rắn chắc của vữa sử dụng bột vôi sống gần giống như quá trình rắn chắc của bột vôi nhuyễn nhưng nó có thêm thời kỳ đầu (thời kỳ hòa tan, còn các thời kỳ tiếp theo như là hóa keo, kết tinh giống như đối với vôi nhuyễn)

Mặc dù được chia làm 3 thời kỳ nhưng các thời kỳ này không phân chia riêng lẻ mà xen kẽ nhau Quá trình rắn chắc này gần giống như quá trình rắn chắc của xi măng và thạch cao xây dựng

6/ Công dụng và bảo quản

ta đem nghiền ra dạng bột → đóng bao → xuất xưởng CaSO4.2H2O 150÷160oC→

CaSO4.0,5H2O + 1,5H2O dạng cục

- Người ta có 3 phương pháp chế tạo sau:

• Nghiền đá thạch cao ra dạng bột → nung + khuấy đảo → bột thạch cao xây dựng → đóng bao, xuất xưởng

• Sử dụng thiết bị liên hợp (nung + nghiền) thạch cao xây dựng → đóng bao, xuất xưởng

2/ Các tính chất chủ yếu của thạch cao xây dựng:

a) Khi cho bột thạch cao tác dụng với nước thì sẽ sinh ra phản ứng theo phương trình sau đây:

CaSO4.0,5H2O + 1,5 H2O → CaSO4.2H2O Semi-hydrate di-hydrate

Độ hoà tan của di-hydrate kém thua 5 lần so với độ hòa tan của semi-hydrate b) Thời gian ninh kết và rắn chắc của thạch cao xây dựng tiến triển rất nhanh

+ Thời gian bắt đầu ninh kết: không sớm hơn 4 phút + Thời gian ninh kết xong: 6-30 phút

+ Đối với thạch cao loại 1 thì lượng sót trên sàng d = 0,2 mm không được lớn hơn 10%

+ Đối với thạch cao loại 2 thì lượng sót trên sàng d = 0,2 mm không được lớn hơn 20%

+ Đối với thạch cao loại 3 thì lượng sót trên sàng d = 0,2 mm không được lớn hơn 30%

d) Cường độ chịu uốn Ru của những mẫu 4×4×16 cm, sau 1h30 (kể từ khi cho bột thạch cao nhào trộn với nước cho đến lúc xác định Ru)

⇒ Ru = 17-27 bars (1 bars ≈ 1Kgf/cm2) Rn = 35-55 bars

3/ Công dụng và bảo quản

a- Công dụng: - Trang trí - Y tế (bó bột)

- Dùng làm mô hình trong xây dựng, khuôn mẫu b- Bảo quản:

Thạch cao ở dạng bột mịn do đó nếu dự trữ lâu và bảo quản không tốt thạch cao sẽ hút Nm làm giảm cường độ chịu lực Để chống Nm cho thạch cao ta phải bảo quản bằng cách chứa bột thạch cao trong các bao kín có lớp cách nước và để trong kho nơi khô ráo

I/ Vôi thủy:

Vôi thuỷ là loại CKD có thể rắn chắc trong môi trường Nm, môi trường không khí và trong môi trường nước

1/ Nguyên liệu và chế tạo:

Nguyên liệu chủ yếu để chế tạo vôi thủy là đá vôi mà trong đó có chứa từ 6-20% hàm lượng sét hoặc đá vôi sét

quá trình nung, sau khi CaCO3 phân giải thì một phần của CaO sẽ kết hợp một cách chặt chẽ với oxit có trong sét mà tạo thành:

+ Các silicat calci: C2S + Các aluminat calci: C3A + Các Ferrit calci: C2F

Các khoáng này có tác dụng làm cho vôi thủy rắn chắc được trong môi trường nước

Sau đó đem nghiền thành bột

2/ Các tính chất chủ yếu của vôi thuỷ:

a) Tính thủy lực (I) Công thức :

=Dựa vào I, chia làm 3 loại: + Vôi thủy yếu: I = 0,2-0,3

+ Vôi thủy trung bình : I = 0,3-0,4 + Vôi thủy mạnh: I = 0,4-0,5 b) Khối lượng riêng:

γa = 2,7-2,8 g/cm3 γo = 0,8 Kg/dm3

3/ Công dụng và bảo quản:

- Sử dụng vôi thủy để chế tạo bê tông mác thấp, để chế tạo vữa xây dựng Ngoài ra, người ta còn sử dụng vôi thủy để làm lớp lót nền nhà

- Vôi thủy được sử dụng trong tất cả các công trình không quan trọng lắm

- Chú ý: khi sử dụng vôi thủy để chế tạo các sản phNm dự định sử dụng trong môi trường nước thì sau khi chế tạo xong, người ta phải dưỡng hộ trong môi trường không khí một thời gian trước khi sử dụng trong môi trường nước (Vì sau khi chế tạo sản phNm vôi thủy chứa 20% CaO tự do nếu + H2O → Ca(OH)2 ⇒ sản phNm bị rỗng)

- Vôi thủy được sử dụng để chế tạo bê tông hoặc vữa thì độ dẻo của nó kém hơn so với vôi không khí Nhưng quá trình rắn chắc nhanh hơn và có cường độ cao hơn - Vôi thủy ở dạng bột thường được bảo quản trong các container kín; hoặc là người

ta có thể bảo quản trong các bao bằng giấy nhiều lớp

- Chỉ vận chuyển vôi thủy dạng bột thì thường dùng các loại xe có mui kín để tránh mưa gió; và các kho chứa phải đảm bảo khô ráo

XI MĂNG PORTLAND

Khái niệm chung: xi măng là tên gọi tổng hợp cho nhóm CKD vô cơ rắn trong nước.Trong đó có chứa các silicat canxi, các aluminat canxi và các alumino-ferit-calci Ngày nay, người ta có thể chế tạo trên vài chục loại xi măng có các tính năng và công dụng khác nhau Mặt khác, ngày nay, ngoài những mác xi măng thông thường thì người ta có thể chế tạo những loại xi măng mác cao 500-900#, điều này phụ thuộc vào nhiều yếu tố: hệ nguyên liệu, công nghệ chế tạo

1/ Định nghĩa:

Xi măng Portland là loại CKD vô cơ ở dạng bột mịn, khi nhào trộn với nước thì xảy ra quá trình lý hoá phức tạp, từ trạng thái dẻo chuyển dần đến trạng thái rắn chắc và sau đó

phát triển cường độ theo thời gian

Với đặc tính trên nên người ta dùng CKD VC để nhào trộn với vật liệu rời rạc khác như đá, cát, sỏi… liên kết lại thành một khối vững chắc

XM portland là loại CKD VC rắn trong nước và trong không khí, nó được cấu tạo bằng cách người ta đem nung đá vôi, và đất sét đến nhiệt độ thiêu kết thành clinker Sau đó, người ta đem nghiền clinker và cho vào từ 3-5% thạch cao sống tạo thành xi măng Portland (Thạch cao có tác dụng điều chỉnh tốc độ đông kết của xi măng)

Trong quá trình chế tạo, người ta có thể đưa vào xi măng Portland hàm lượng phụ gia: phụ gia vô cơ hoạt tính (<15% so với clinker), hoặc là phụ gia trơ (<10% so với clinker)

Trên cơ sở clinker xi măng portland, người ta có thể sản xuất ra các loại xi măng sau:

- Xi măng portland (không có phụ gia và có phụ gia khoáng hoạt tính không lớn hơn 20% )

- Xi măng portland xỉ (với tỷ lệ phụ gia xỉ hạt từ 20-60%)

- Xi măng portland puzzolan (với tỷ lệ phụ gia puzzolan 15-30%) Ưu điểm:

- Có cường độ chịu nén khá cao - Có khả năng rắn trong nước nhanh - Có khả năng chịu lửa khá tốt

- Sử dụng chủ yếu là nguyên liệu địa phương

CaCO3 để sản xuất 1 tấn clinker

Và hệ số Aluminat:

- Yêu cầu CaSO4.2H2O ≥ 80% (sạch)

- Thường sử dụng 2-5% so với clinker ⇒ để điều chỉnh thời gian ninh kết xi măng d) Quặng sắt Fe2O3 : (chỉ đưa vào khi trong đất sét thiếu Fe2O3)

Yêu cầu: lượng Fe2O3 không nhỏ hơn 40% e) Nhiên liệu:

- Yêu cầu: - có nhiệt năng cao

- hàm lượng chất bốc thích hợp - hàm lượng tro thấp

- hiệu quả kinh tế cao - Dùng nhiên liệu rắn:

+ than cám yêu cầu có nhiệt trị Q≥ 5000 Kcal/kg than + Lượng tro sau khi cháy phải nhỏ hơn 10-15% + Thường sử dụng 0,207 tấn than/ 1 tấn clinker - Nhiên liệu lỏng:

+ Dầu FO yêu cầu có nhiệt trị Q> 10 000 Kcal/Kg ở to=15oC - Nhiên liệu khí (gaz): chất lượng xi măng rất tốt

3/ Thành phần hóa học và tác dụng của từng thành phần hóa học của nguyên liệu:

- CaO (62-68%), nếu CaO tăng (khi điều kiện kết hợp cần thiết) thì làm cho xi măng rắn chắc nhanh, cường độ cao, nhưng độ bền nước giảm Yêu cầu CaO phải kết hợp hoàn toàn với các oxid: SiO2, Al2O3, Fe2O3, không được ở trạng thái tự do - SiO2 (21-24%); oxid này làm cho xi măng rắn chắc chậm trong thời gian đầu,

nhưng cường độ tiếp tục tăng về sau Nếu hàm lượng SiO2 này tăng thì nó sẽ làm cho xi măng ổn định trong môi trường nước

- Al2O3 (4-8%), oxid này làm cho xi măng rắn chắc nhanh, nếu hàm lượng Al2O3tăng lên thì sẽ làm cho xi măng không ổn định trong môi trường nước và nước xâm thực sulfat Mặt khác, nó sẽ phát ra một lượng nhiệt độ khá lớn, làm cho bê tông trong công trình bị nứt nẻ

- Fe2O3 (2-5%) làm giảm nhiệt độ nung của của phối liệu tạo thành clinker, mặt khác làm cho xi măng ổn định trong môi trường nước xâm thực sulfat Ngoài ra, trong nguyên liệu còn chứa các oxid khác như: MgO tự do, K2O, Na2O chiếm từ 1,5-3%

Để chế tạo xi măng Portland thì 2 nguyên liệu chủ yếu: + Đá vôi: 75-78%

Silicat bicalcite Aluninat tricalcite

Ferro-Aluminat tétracalcite

3CaO.SiO2 2CaO.SiO2 3CaO.Al2O3

4CaO.Al2O3 Fe2O3

C3S C2S C3A C4AF

45-60 15-30 7-15 10-18

Ngoài ra, trong clinker xi măng portland còn chứa một hàm lượng các khoáng vật khác nhau chứa một tỷ lệ không lớn lắm như:

+ Aluninat calci: 5CaO.Al2O3 (C5A)

+ Alumo ferit calci: 8CaO.3Al2O3.Fe2O3 (C8A3F) + Ferit calci: 2CaO Fe2O3 (C2F)

Trong quá trình nung thì các oxid trên không ở trạng thái tự do mà kết hợp với nhau để tạo thành các khoáng vật chủ yếu đó

Thông thường, trong xi măng Portland hai khoáng vật chủ yếu là C3S + C2S = 70-80% là đạt yêu cầu

Tác dụng của từng thành phần khoáng vật:

- C3S: là thành phần chủ yếu nhất, quan trọng nhất, có tác dụng làm cho xi măng rắn chắc nhanh, cường độ cao và toả nhiều nhiệt Nếu làm lượng C3S tăng thì chất lượng xi măng càng cao

- C2S: làm cho xi măng rắn chắc chậm trong thời gian đầu nhưng cường độ tiếp tục tăng về sau Thành phần này trong quá trình thủy hóa sẽ phát ra một lượng nhiệt ít nhất Nếu hàm lượng C2S tăng lên sẽ làm cho xi măng ổn định trong môi trường nước

- C3A: khoáng vật này làm cho xi măng rắn chắc rất nhanh, tỏa rất nhiều nhiệt nhưng cường độ thấp nhất Nếu hàm lượng C3A tăng lên sẽ làm cho xi măng không ổn định trong môi trường nước và nước xâm thực sulfat Do vậy, khi hàm lượng C3A tăng lên thì sẽ gây hiện tượng nứt nẻ của bê tông trong các công trình khối lớn

- C4AF: làm cho xi măng rắn chắc tương đối nhanh, có cường độ trung bình và lượng nhiệt phát ra vừa phải (=1/2 lượng nhiệt của C3A khi phát ra toàn bộ) Nếu