Nghiên cứu ảnh hưởng cát nghiền mịn khi thay thế cát tiêu chuẩn trong chế tạo vữa từ xi măng PCB40 fico

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI CHUNG NGỌC TIỀN CHUNG NGỌC TIỀN NGHIÊN CỨU ẢNH HƯỞNG CÁT NGHIỀN MỊN KHI THAY THẾ CÁT TIÊU CHUẨN TRONG CHẾ TẠO VỮA TỪ XI MĂNG PCB40 FICO KỸ THUẬT HÓA HỌC LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT KỸ THUẬT HÓA HỌC 2015B Hà Nội – Năm 2018 HVTH: Chung Ngọc Tiền BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI - CHUNG NGỌC TIỀN NGHIÊN CỨU ẢNH HƯỞNG CÁT NGHIỀN MỊN KHI THAY THẾ CÁT TIÊU CHUẨN TRONG CHẾ TẠO VỮA TỪ XI MĂNG PCB40 FICO Chuyên ngành: Kỹ thuật Hóa học LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT … KỸ THUẬT HÓA HỌC NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC TS VŨ HOÀNG TÙNG Hà Nội – Năm 2018 HVTH: Chung Ngọc Tiền LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan cơng trình nghiên cứu riêng tơi hướng dẫn TS Vũ Hoàng Tùng Các số liệu kết trình bày luận văn trung thực chưa công bố cơng trình khác Tác giả luận văn Chung Ngọc Tiền HVTH: Chung Ngọc Tiền LỜI CẢM ƠN Tơi xin tỏ lịng kính trọng biết ơn sâu sắc TS Vũ Hoàng Tùng trực tiếp tận tình hướng dẫn cung cấp tài liệu thông tin khoa học cần thiết cho luận văn Tơi xin chân thành cám ơn Bộ mơn Hóa Silicate, Viện Kỹ thuật hóa học, Trường Đại học Bách Khoa Hà Nội, tạo điều kiện thuận lợi thời gian, sở vật chất tiếp cận tài liệu giúp tơi hồn thành luận văn Tơi xin cám ơn Lãnh đạo Viện Kỹ thuật Hóa học, q thầy Viện Kỹ thuật Hóa học mơn Hóa Silicat hướng dẫn, giúp đỡ động viên tơi q trình thực đề tài luận án Xin chân thành cảm ơn Lãnh đạo Cơng ty CP Xi măng FICO Tây ninh, phịng thí nghiệm Nhà máy tạo điều kiện cho tơi hồn thành tốt cơng việc nghiên cứu khoa học Cuối xin chân thành cảm ơn đồng nghiệp, đơn vị công tác giúp đỡ trình học tập thực Luận văn HVTH: Chung Ngọc Tiền MỤC LỤC LỜI CAM ĐOAN .3 LỜI CẢM ƠN .4 MỤC LỤC PHẦN MỞ ĐẦU Lý ý nghĩa thực tiễn chọn đề tài Mục đích nghiên cứu, đối tượng nghiên cứu, phạm vi nghiên cứu Những đóng góp Phương pháp nghiên cứu .9 CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN .10 1.1 Lý thuyết xi măng Portland 10 1.1.1 Khái niệm 10 1.1.2 Thành phần hóa học clinker .10 1.1.3 Thành phần khoáng clinker xi măng Portland 12 1.2 Khái niệm loại phụ gia .14 1.3 Q trình hóa lý xảy xi măng đóng rắn 16 1.3.1 Q trình lý học đóng rắn xi măng 16 1.3.2 Q trình hố học xi măng đóng rắn 20 1.4 Tổng quan vữa có tảng từ xi măng 29 1.4.1 Các khái niệm chung 29 1.4.2 Một số tính chất vữa cát mịn .30 1.4.3 Sự phát triển vữa hạt mịn 31 1.4.4 Tình hình nghiên cứu ứng dụng vữa hạt mịn giới 32 1.4.5 Tình hình nghiên cứu ứng dụng vữa hạt mịn Việt Nam 35 1.5 Tổng quan cốt liệu mịn (vi cốt liệu) vữa 38 1.5.1 Một số định nghĩa 38 1.5.2 Một số loại vi cốt liệu (cốt liệu mịn) sử dụng bê tông vữa 38 1.5.3 Chức vi cốt liệu cấu trúc vữa 39 1.5.4 Ảnh hưởng vi cốt liệu cấu trúc vữa 41 1.5.5 Cơ chế tác dụng vi cốt liệu cấu trúc vữa 42 CHƯƠNG 2: NỘI DUNG THỰC NGHIỆM 44 2.1 Quy trình tiến hành nghiên cứu thực nghiệm 44 HVTH: Chung Ngọc Tiền 2.1.1 Quy trình chế tạo cát mịn xác định đặc tính 44 2.1.2 Quy trình chế tạo vữa xác định đặc tính 44 2.2 Nguyên vật liệu sử dụng nghiên cứu 45 2.2.1 Cát tiêu chuẩn 45 2.2.2 Cát mịn .46 2.2.3 Xi măng PCB40 47 2.2.4 Nước 47 2.3 Các phương pháp xác định tính chất lý 48 2.3.1 Phương pháp xác định độ mịn 48 2.3.2 Phương pháp xác định hoạt tính cát 49 2.3.3 Phương pháp xác định độ chảy xòe 51 2.3.4 Phương pháp xác định cường độ (độ bền) .52 2.3.5 Phương pháp xác định khối lượng thể tích .52 2.3.6 Phương pháp xác định độ co khô .53 2.3.7 Phương pháp chụp ảnh vi cấu trúc kính hiển vi điện tử SEM 54 2.3.8 Phương pháp phân tích thành phần hạt tán xạ laser 56 2.3.9 Xác định thành phần khoáng phương pháp XRD 57 CHƯƠNG 3: KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU VÀ THẢO LUẬN 59 3.1 Chế tạo cát mịn xác định đặc tính 59 3.1.1 Chế tạo cát mịn .59 3.1.2 Xác định hoạt tính phương pháp hoạt tính cường độ 61 3.1.3 So sánh hoạt tính phương pháp đo độ dẫn điện 62 3.2 Chế tạo vữa xác định tính chất lý 64 3.2.1 Cấp phối vữa thí nghiệm 64 3.2.2 Kết thử nghiệm độ chảy 64 3.2.3 Kết thử nghiệm khối lượng thể tích 65 3.2.4 Kết thử nghiệm cường độ 66 3.2.5 Kết thử nghiệm độ co khô 67 4.2 Kết luận chung nghiên cứu thay cát mịn cát tiêu chuẩn: 68 4.2.1 Cấp phối vữa thí nghiệm 68 4.2.2 Kết thử nghiệm độ chảy 69 4.2.3 Kết thử nghiệm khối lượng thể tích 69 4.2.4 Kết thử nghiệm cường độ 70 HVTH: Chung Ngọc Tiền 4.2.5 Kết thử nghiệm độ co khô 71 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 77 KẾT LUẬN .77 KIẾN NGHỊ 78 TÀI LIỆU THAM KHẢO 79 HVTH: Chung Ngọc Tiền PHẦN MỞ ĐẦU Lý ý nghĩa thực tiễn chọn đề tài Cát nguyên liệu quan trọng chiếm tỷ lệ lớn thành phần vữa bê tông xây dựng, nhiên người ta sử dụng dạng tự nhiên với vai trị cốt liệu Cát nghiền mịn sử dụng để chế tạo vữa xi măng vai trị cốt liệu vữa rõ ràng nhiên vai trò hoạt tính hỗ trợ tạo cường độ cho q trình đóng rắn chưa có nghiên cứu Q trình đóng rắn xi măng, phản ứng thuỷ hố khống 3.CaO.SiO2 2.CaO.SiO2 ln tạo lượng lớn Ca(OH)2 Nguyên liệu cát nghiền mịn sử dụng để chế tạo hỗn hợp vữa xi măng, q trình xảy phản ứng thuỷ hố, có hoạt tính cường độ tham gia phản ứng với với Ca(OH)2 để tạo khoáng CaO.SiO2.H2O(CSH), phản ứng tạo giúp tăng tốc độ rình đóng rắn đồng thời tạo khống CSH bền vững Ca(OH)2 (porlandite) Khi sử cát nghiền mịn để chế tạo vữa bê tông làm cho vữa bê tơng có tính cơng tác cao, với vữa sử dụng hồn tồn cát nghiền có độ chảy lớn vữa chế tạo từ cát thông thường, điều làm cho q trình thi cơng dễ dàng Ngồi ra, cát nghiền mịn đóng vai trị cốt liệu lại có hoạt tính cường độ làm tăng cường độ chịu nén vữa tương tự sử dụng bê tông.Việc tăng cường độ khối bê tơng góp phần làm giảm kích thước khung chịu lực Tuy nhiên, việc sử dụng cát nghiền mịn để chế tạo vữa xi măng Việt Nam cịn hạn chế Do đó, giúp đỡ TS Vũ Hồng Tùng, tơi nghiên cứu hoàn thành đề tài “ Nghiên cứu ảnh hưởng cát nghiền mịn thay cát tiêu chuẩn chế tạo vữa từ xi măng PCB40 FiCO” Mục đích nghiên cứu, đối tượng nghiên cứu, phạm vi nghiên cứu Mục đích nghiên cứu: Nghiên cứu ảnh hưởng thay cát mịn có kích thước hạt danh nghĩa 45µm cho cát tiêu chuẩn xi măng PCB40 Đối tượng nghiên cứu: + Ảnh hưởng thay cát nghiền mịn có kích thước hạt danh nghĩa 45µm HVTH: Chung Ngọc Tiền cho cát tiêu chuẩn đến số tính chất vữa xi măng đá xi măng + Ảnh hưởng thay cát nghiền mịn có kích thước hạt danh nghĩa 45µm cho xi măng PCB40 đến số tính chất vữa xi măng đá xi măng Phạm vi nghiên cứu: Nghiên cứu số tính chất lý hỗn hợp vữa xi măng đá xi măng sở nguồn nguyên liệu xác định Những đóng góp Cung cấp thêm thơng tin bổ ích, làm tài liệu tham khảo việc nghiên cứu thay sử dụng cát mịn hỗn hợp vữa bê tông, việc thay cát mịn tạo số tính chất vượt trội độ chảy cường độ Phương pháp nghiên cứu Các nguyên liệu nghiên cứu, quy trình thiết bị thử nghiệm ổn định thống suốt trình thực nhằm hạn chế tối đa sai số Chỉ tiêu lý mẫu xác định theo tiêu chuẩn hành nhà nước phương pháp phi tiêu chuẩn, cụ thể sau: + Xác định khối lượng riêng, blaine, sót sàng theo TCVN 4030:2003 + Xác định hoạt tính theo TCVN 6882:2001 + Xác định độ chảy hỗn hợp vữa bàn dằn theo TCVN 3121-3:2003 phương pháp đo độ chảy xòe + Xác định độ bền nén theo TCVN 6016:2011 + Xác định khối lượng thể tích vữa đóng rắn theo TCVN 3121-10:2003 + Xác định độ co khô vữa theo TCVN 8824:2011 Các phương pháp nghiên cứu khác: phân tích thành phần hạt tán xạ laser, nghiên cứu hình dạng hạt ảnh SEM, nghiên cứu cấu trúc qua ảnh SEM, XRD… HVTH: Chung Ngọc Tiền CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN 1.1 Lý thuyết xi măng Portland 1.1.1 Khái niệm Xi măng Portland (PC) chất kết dính thủy lực, trộn với nước tạo hồ dẻo có tính kết dính đóng rắn mơi trường khơng khí, mơi trường nước Hồ dẻo q trình đóng rắn phát triển cường độ Xi măng Portland sản phẩm nghiền mịn clinker, thạch cao thiên nhiên đơi cịn pha thêm vài loại phụ gia khác nhằm cải thiện số tính chất xi măng tăng sản lượng, hạ giá thành Người ta sản xuất clinker cách nung đến kết khối phối liệu nghiền mịn đồng gồm ngun liệu đá vơi, đất sét loại nguyên liệu phụ để điều chỉnh hệ số đặc trưng - PC viết tắt Portland Cement Để sản xuất xi măng cách nghiền chung clinker với (3-5)% thạch cao thiên nhiên Tùy theo chất lượng clinker, sử dụng phụ gia khống hoạt tính phụ gia cơng nghệ Tuy nhiên, tổng lượng phụ gia không vượt 15% Trong đó, phụ gia hoạt tính khơng vượt q 10% - Xi măng portland có mác sau: PC30, PC40, PC50 - PCB viết tắt Portland Cement Blended Tùy theo chất lượng clinker xi măng phụ gia, tổng lượng loại phụ gia khống (khơng kể thạch cao) xi măng Portland hỗn hợp tính theo khối lượng xi măng khơng vượt q 40% Trong đó, phụ gia đầy không vượt 20% Phụ gia công nghệ khơng vượt q 1% 1.1.2 Thành phần hóa học clinker Gồm có ơxit CaO, SiO2, Al2O3, Fe2O3 chiếm (95 –97)%, lại (3 5)% ôxit khác có hàm lượng không lớn lắm: MgO, K2O, Na2O, TiO2, Mn2O3, SO3, P2O5 … Thành phần hóa học clinker xi măng Portland thông thường giới hạn: HVTH: Chung Ngọc Tiền 10 Khi thay cát mịn (135g) cho cát tiêu chuẩn làm tăng phân tán đồng cốt liệu, lấp vào khoảng trống cát thô để lại làm cho khối lượng thể tích tăng Khi lượng cát nghiền mịn thay cho cát thơ tăng, cát nghiền mịn có diện tích bề mặt lớn nhiều so với cát tiêu chuẩn khối lượng, dẫn đến khả chiếm giữ nước lượng cát mịn thay vào nước để lại lỗ xốp làm giảm khối lượng thể tích 4.2 Kết luận chung nghiên cứu thay cát mịn cát tiêu chuẩn: Các nghiên cứu thay phần cát mịn cho cát thô cho thấy ưu điểm rõ rệt cường độ đạt ( cường độ 28 ngày tăng 44,69%) Để tăng tính ứng dụng thực tiễn, đề tài tiếp tục nghiên cứu với việc giữ nguyên lượng cát tiêu chuẩn dùng cát mịn thay cho xi măng PCB40 4.2.1 Cấp phối vữa thí nghiệm Mẫu M0 M3 M5 M7 M9 M11 Xi măng, g 450 436,5 427,5 418,5 409,5 400,5 HVTH: Chung Ngọc Tiền Cát TC, g 1350 1350 1350 1350 1350 1350 68 Cát mịn, g 13,5 22,5 31,5 40,5 49,5 Nước, g 225 225 225 225 225 225 4.2.2 Kết thử nghiệm độ chảy Mẫu D1 D2 D3 D4 TB M0 212 214 211 215 213 M3 216 215 216 217 216 M5 219 217 218 219 218 M7 220 222 221 224 222 M9 224 225 226 225 225 M11 227 228 226 228 227 Khi thay cát mịn cho xi măng, rõ ràng lượng xi măng giảm xuống lượng nước khơng đổi (225g), nguyên nhân làm tăng độ chảy 4.2.3 Kết thử nghiệm khối lượng thể tích Mẫu M0 M3 M5 M7 M9 M11 KL cân (g) 581 579 577 576 575 573 HVTH: Chung Ngọc Tiền TT mẫu (cm3) 256 256 256 256 256 256 69 Khối lượng thể tích (g/cm3) 2,270 2,262 2,254 2,250 2,246 2,238 Khi thay cát mịn cho xi măng, rõ ràng lượng xi măng giảm xuống lượng nước không đổi (225g), ngun nhân làm giảm khối lượng thể tích mẫu đóng rắn nước tiêu chuẩn thực giảm theo xi măng 4.2.4 Kết thử nghiệm cường độ Mẫu R3 R7 M0 23,66 31,38 42,82 M3 22,44 31,74 44,16 M5 22,57 31,97 45,93 M7 21,68 30,86 43,72 M9 22,24 30,49 43,52 M11 21,27 29,61 41,48 HVTH: Chung Ngọc Tiền 70 R28 Khi thay cát mịn cho xi măng, rõ ràng lượng xi măng giảm xuống lượng nước không đổi (225g), ngun nhân làm giảm cường độ mẫu đóng rắn nước tiêu chuẩn thực giảm theo xi măng Nếu nghiên cứu kĩ theo hướng giảm lượng nước tiêu chuẩn theo PCB cường độ tăng với lượng cát mịn thay 4.2.5 Kết thử nghiệm độ co khô Mẫu tuần tuần tuần M0 0,030 0,035 0,046 M3 0,028 0,032 0,042 M5 0,027 0,031 0,040 M7 0,028 0,032 0,043 M9 0,026 0,030 0,039 M11 0,029 0,035 0,047 HVTH: Chung Ngọc Tiền 71 Với mẫu vữa sử dụng cát mịn thay xi măng, hầu hết độ co khô mẫu vữa giảm Như sau tuần độ co khô mẫu vữa thay đổi không đáng kể nằm giới hạn cho phép mức độ co khô vữa xi măng ( yêu cầu 0,08%) Để kiểm chứng cho quan điểm giải thích này, đề tài tiến hành so sánh ảnh chụp SEM chụp XRD mẫu T10, T20 mẫu M0, M5 để phản ánh rõ kết đạt Kết XRD HVTH: Chung Ngọc Tiền 72 Hình: Biểu đồ XRD peak khống chất vữa T10 Dựa vào phổ XRD mẫu vữa ta thấy có xuất khống: - Quartz (SiO2) Calcite (CaCO3) Potassium Alumium Silicate (KAl3Si3O11) Pyrite FeS2 Hình: Biểu đồ XRD peak khống chất vữa T20 Dựa vào phổ XRD mẫu vữa ta thấy có xuất khống: - Quartz (SiO2) HVTH: Chung Ngọc Tiền 73 - Calcite (CaCO3) Potassium Alumium Silicate (KAl3Si3O11) Pyrite FeS2 Hình: Biểu đồ XRD peak khoáng chất vữa M0 Dựa vào phổ XRD mẫu vữa ta thấy có xuất khoáng: - Quartz (SiO2) - Calcite (CaCO3) - Potassium Alumium Silicate (KAl3Si3O11) - Pyrite FeS2 - Gypsum CaSO4.2H20 - Halloysite Al2Si2O5(OH)4 Hình: Biểu đồ XRD peak khống chất vữa M5 HVTH: Chung Ngọc Tiền 74 Dựa vào phổ XRD mẫu vữa ta thấy có xuất khoáng: - Quartz (SiO2) - Calcite (CaCO3) - Potassium Alumium Silicate (KAl3Si3O11) - Pyrite FeS2 - Gypsum CaSO4.2H20 - Halloysite Al2Si2O5(OH)4 Nhận xét: Từ kết phân tích XRD mẫu trên, ta thấy có xuất khống q trình thủy hóa xi măng Portlandite,… giúp tạo cường độ cho vữa Do mẫu vữa lấy phân tích có chứa cát, nên peak cát phổ XRD cao so với peak khống cịn lại làm cho peak khác bị nhiễu, khó phân biệt peak khoáng khác - Kết quà SEM M0 T10 T20 T20-2 Chụp ảnh cấu trúc mẫu M0, T10, T20 cho thấy, mẫu không sử dụng cát HVTH: Chung Ngọc Tiền 75 mịn –M0 mẫu sử dụng – T10 khơng có khác biệt bật cấu trúc, hai mẫu tồn nhiều khoảng trống, khoảng trống không đồng Mẫu sử dụng nhiều cát mịn thay cho cát thơ – T20 có cấu trúc đồng tương đối khác biệt, mức độ phóng đại cao –T20-2 cho phép nhìn rõ cấu trúc dạng sợi đan xen HVTH: Chung Ngọc Tiền 76 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ KẾT LUẬN Thơng qua q trình nghiên cứu ảnh hưởng cát nghiền mịn thay cát tiêu chuẩn chế tạo vữa từ xi măng PCB40 FiCO rút số kết luận sau: Cát tiêu chuẩn nghiền mịn đến kích thước hạt danh nghĩa 45µm có hoạt tính, hoạt tính sau 28 ngày đạt 84,4% Khi thay cát mịn cho cát tiêu chuẩn: - Độ chảy vữa tăng tỷ lệ thay