Bài giảng Dung dịch khoan – ximăng: Chương 6 - Đỗ Hữu Minh Triết - Trường Đại Học Quốc Tế Hồng Bàng

[r]

(1)

CHƯƠNG 6

XIMĂNG PORTLAND

6-2

GEOPET

Dung dịch khoan & ximăng – ĐỗHữu Minh Triết

NỘI DUNG

I. KHÁI NIỆM CHUNG II. CLINKE

III. NGUYÊN TẮC SẢN XUẤT

IV TÍNH CHẤT CỦA XIMĂNG PORTLAND

V. LÝ THUYẾT VỀSỰRẮN CHẮC CỦA XIMĂNG VI. ĐÁ XIMĂNG

6-3

GEOPET

I KHÁI NIỆM CHUNG

Trong lịch sửphát triển, người tìm nhiều loại hợp chất có khả kết dính phục vụxây dựng nhàở, cơng trình

Người Lưỡng Hà xưa dùng đất sét làm chất kết dính chính, người Ai Cập dùng vơi thạch cao Người Trung Quốc dùng vôi, sét vật liệu hữu Năm 1756, kĩ sư John Smeaton (người Anh) sáng chếra bêtông đại cách bổ sung đá cuội, sỏi vào hỗn hợp bột gạch xay nhuyễn Năm 1824, nhà phát minh Joseph Aspdin (người Anh) tìm ximăng Portland Ngày nay, ximăng portland sửdụng rộng rãi, thành phần bêtơng, vữa xây dựng…

6-4

GEOPET

I KHÁI NIỆM CHUNG

Ximăng Joseph Aspdin chếtạo cách nung nóng đá vơi sét, làm thay đổi tính chất hóa học, tạo loại chất kết dính bền vững so với đá vơi nghiền bình thường

Ximăng portland thơng thường có dạng bột mịn với thành phần gồm: - Clinke: 90%, sản phẩm sau nung hỗn hợp đá vôi, sét

- Thạch cao: tối đa 5%, có tác dụng điều chỉnh thời gian đông kết

- Chất phụgia: làm tăng chất lượng ximăng: giảm nhiệt độ bay hơi, tăng tính

chống mòn,…

(2)

6-5

GEOPET

Dung dịch khoan & ximăng – ĐỗHữu Minh Triết II CLINKE

Clinke thành phần chủyếu tạo thành ximăng

Clinke sản xuất cách nung nóng hỗn hợp thơ đá vơi, sét mơi trường có ơxy tới nhiệt độ1400 – 1450oC Do bốc hơi không đều, hỗn hợp bị

vón thành cục rắn chắc, kích thước 10 – 30 mm Sản phẩm làm lạnh nhanh đểgiữlại tính chất phản ứng khống vật thành phần Clinke sau nghiền nhỏ, bổsung thêm thạch cao (CaSO42H2O) đểđiều chỉnh thời gian ngưng kết (hơn 5% sẽlàm nứt ximăng) khoáng vật khác xỉkim loại, cát thạch anh, khuê tảo đểđiều chỉnh tính chất…

thành ximăng

6-6

GEOPET

2.1 Thành phần hóa học

Trong clinke thường có thành phần như sau:

- CaO: định tính chất hóa học ximăng, thường CaO khơng

trạng thái tựdo mà kết hợp với ôxit khác thành khoáng vật khác

- SiO2: tạo cho ximăng tính chất thủy lực, tỉlệSiO2 tăng lên sẽlàm chậm thời gian ngưng kết sẽlàm tăng độbền sulphat ximăng

- Al2O3: tỉlệ tăng sẽlàm rút ngắn thời gian ngưng kết, nhiên lại làm giảm độbền học ximăng

- Fe2O3: tỉlệ tăng sẽlàm tăng độbền sulphat

6-7

GEOPET

Một sốtiêu chuẩn vềthành phần hóa học clinke

- TỉlệCaO/SiO2không nhỏ

- Thành phần MgO không vượt 5% khối lượng

- TỉsốFe2O3/Al2O3(hệsốtrám) khoảng 0,9 – 2,0

- Các chất có hại:

- MgO (< 4,5%), CaO tựdo (< 1%): hai chất hydrat hóa chậm so với thành phần khác clinke, làm tăng thểtích pha rắn khơng đều, dẫn đến phá hủy cấu trúc đá ximăng

- TiO2(4-5%): ảnh hưởng tốt đến trình kết tinh khoáng vật làm giảm độbền ximăng

- Ôxit kim loại kiềm (< 1%): gây phản ứng với SiO2làm nứt khối ximăng cứng, khó nung ngăn CaO kết hợp với ôxit khác

- Fluorine (< 0,1%): chỉcần lượng nhỏcũng làm giảm đáng kểsức bền

của ximăng 6-8

GEOPET

2.1 Thành phần khoáng vật

Clinke hỗn hợp khống vật silicat khống vật trịn cạnh theo tỉlệ75/25

Trong tài liệu ximăng clinke, đểrút gọn tên ơxit có thành phần hóa học, người ta viết tắt sau:

C = CaO F = Fe2O3 N = Na2O P = P2O5 A = Al2O3 M = MgO K = K2O f = FeO

(3)

6-9

GEOPET

Ngồi ra, ximăng cịn có thủy tinh, bao gồm aluminat, ferit không kết tinh, canxisilicat, liên kết kiềm… với tỉlệ5 – 12%

0 11 14 73

trắng

14 55 25

lạnh

13 73 kháng sunfat thường

9 C4AF 4CaO.Al2O3.Fe2O3 Calcium

aluminoferrite

8 C3A 3CaO.Al2O3

Tricalcium aluminate

15 65

% khối lượng ximăng

C2S 2CaO.SiO2

Belite

C3S 3CaO.SiO2

Alite

Viết tắt Công thức phân tử Khoáng vật

6-10

GEOPET

Tác dụng của khoáng vật

Alite: định độbền đá ximăng giai đoạn đầu TỉlệC3S tăng độbền đá ximăng tăng theo, đông cứng tỏa nhiệt nhiều Tỉlệphổbiến 40 – 65%

Belite: định độbền đá ximăng giai đoạn sau TỉlệC2S tăng sẽlàm ximăng cứng chậm, độbền tăng theo thời gian, chống

được ăn mòn nước biển nước ngầm Tỉlệphổbiến 12 – 35%

Tselit (C3A, C4AF): làm ximăng hydrat hóa nhanh, rút ngắn thời gian

đông cứng, làm giảm độbền đá ximăng C3A khống vật hoạt tính cao clinke, làm ximăng giảm tính chống ăn mịn muối sunphat

6-11

GEOPET

2.3 Thành phần độhạt

Kính thước hạt ximăng nhỏthì độbền ximăng cao Khi chếtạo ximăng đơng nhanh, kích thước hạt ximăng quan trọng Bình thường, ximăng có thành phần độhạt bảng sau:

5-10 5-15 10-20 10-20 10-20 10-15 20-40

Hàm lượng hạt, % kl

> 80 50-80 30-50 20-30 10-20 7-10 < 7 Kích thước hạt, µm

6-12

GEOPET

III NGUYÊN TẮC SẢN XUẤT

Các thành phần ximăng (C3S, C2S, C3A, C4AF) tạo thành sau ngun liệu thơ nung lị trải qua chuỗi phản ứng hóa học ởnhiệt độ 1400oC Nguyên liệu thô bao gồm đá vôi, silica, alumina

và ơxit sắt

Q trình sản xuất sau:

- Đá vôi, san hô, vỏsị, alumina, silica, ơxit sắt,… nghiền thành bột mịn pha trộn lẫn tạo thành nguyên liệu thô Thành phần nguyên liệu pha trộn trước vào lò tùy thuộc yêu cầu clinke tạo thành

- Hỗn hợp ngun liệu thơ đưa vào lị nung đểtạo thành clinke

- Clinke làm lạnh nhanh, bổsung thêm thạch cao (3-5%), sau nghiền vụn

(4)

6-13

GEOPET

Hình 6.1 Lược đồsản xuất ximăng

Máy đập Đá vôi

Máy nghiền

Nguyên liệu thơ

Lị nung

Clinke

Phụgia

Máy nghiền Ximăng

Vật liệu khác

6-14

GEOPET

Hình 6.2 Sơđồsản xuất theo phương pháp khô

Trước vào lị nung, ngun liệu thơ có thểđược chuẩn bịbằng hai phương pháp: phương pháp khôvàphương pháp ướt

6-15

GEOPET

Hình 6.3 Sơđồsản xuất theo phương pháp ướt

Trong phương pháp ướt, hỗn hợp trộn dạng vữa nên dễkiểm soát thành phần Tuy nhiên, cần phải tốn thêm lượng đáng kểđểbốc lượng nước thêm vào

6-16

GEOPET

Hình 6.4 Sơđồquá trình nung tạo clinke

(5)

6-17

GEOPET

Trong lò nung có khu vực gia nhiệt

làm nguội, tạo C3A C4AF 1300 giảm xuống 1000

VI

kết rắn, tạo C2S C3S 1300 tới 1500

và giảm xuống 1300

V

phản ứng tỏa nhiệt 1100 tới 1300

IV

kết tinh, khửcacbon 800 tới 1100

III

nung sơ

200 tới 800

II

bay Dưới 200

I

Dạng phản ứng Khoảng nhiệt độ(oC)

Khu vực

6-18

GEOPET

III NGUN TẮC SẢN XUẤT

Vai trị của q trình làm nguội clinke

Chất lượng clinke (và ximăng sau này) phụthuộc vào tốc độlàm nguội clinke Để thu clinke tốt nhất, cần làm nguội chậm clinke xuống nhiệt độ

1250oC, sau đó làm nguội nhanh, thường khoảng 18 – 20oC/phút.

Tốc độlàm nguội clinke chậm (4 – 5oC/phút) sẽtạo loại clinke

thủy hóa Sức bền nén ban đầu tốt, sức bền lâu dài thấp

Tốc độlàm nguội clinke nhanh (> 20oC/phút) sẽtạo loại ximăng

hoạt tính, khơng ổn định Sức bền nén ban đầu thấp, sức bền lâu dài cao

6-19

GEOPET

Clinke nghiền chung với thạch cao đểtạo thành ximăng Thạch cao có tác dụng ngăn cản tượng “đông nhanh” clinke

Máy nghiền trộn lẫn clinke với hạt bi sắt cứng Khi máy nghiền quay, bi sắt va đập làm vỡvụn clinke Cỡhạt clinke khoảng - 10 µm Nhược điểm máy nghiền dùng bi sắt hầu hết lượng (97 - 99%) chuyển hóa thành nhiệt Nhiệt độ tăng có thểlàm thạch cao bịkhử

nước, gây nên tượng “đông giả”

6-20

GEOPET

Hình 6.5 Sơđồnghiền clinke thành phẩm ximăng

(6)

6-21

GEOPET

Các tính chất ximăng Portland bao gồm: Độmịn

2 Khối lượng riêng Khả giữ nước Thời gian ngưng kết Tính ổn định thểtích Tính lưu biến

6-22

GEOPET

Đối với vữa ximăng, cần thỏa mãn yêu cầu sau:

− Trộn bơm dễdàng, có tính lưu biến tối ưu cho việc thay thếdung dịch khoan

− Bảo đảm tính chất đồng suốt q trình bơm đẩy − Bảo đảm độkín đơng cứng, khơng cho dầu, khí, nước rị rỉ

vào khoảng khơng vành xuyến

− Tạo liên kết tốt ống chống thành hệ

− Phát triển độbền nhanh bơm trám xong có độbền ổn định thời gian dài

6-23

GEOPET

4.1 Độmịn

Kích thước hạt ximăng nhỏthì số lượng hạt đơn vịkhối lượng nhiều, tổng diện tích bềmặt (tỷbềmặt) hạt lớn Tổng bềmặt tham gia phản ứng lớn q trình thủy hóa mạnh

Trong ximăng, hạt có kích thước nhỏ µm ảnh hưởng tới tính chất ximăng nhiều Khối lượng hạt thường chiếm 19-35% tổng diện tích bềmặt lớn tất cảcác phần hạt lại Đối với ximăng thường, bềmặt đơn vịδ= 2800-3000 cm2/g.

Độmịn ximăng xác định rây

6-24

GEOPET

Xác định bềmặt đơn vịδmột cách tuyệt đối xác khó Một số

phương pháp xác định δ sau:

– Thông qua trịsốcác thành phần độhạt với giảthiết hạt ximăng có kích thước khác hình cầu Phương pháp xác

được dùng

– Bằng phương pháp hấp phụ: xác định lượng vật chất cần thiết đểbao phủ

bềmặt hạt ximăng lớp phần tửchất hấp phụnào Chất hấp phụ thường dùng nitơ Phương pháp phức tạp khó thực hiện, chỉđược dùng nghiên cứu

(7)

6-25

GEOPET

4.2 Khối lượng riêng Xác định theo hai trường hợp:

a Khối lượng riêng ởtrạng thái tựnhiên

Đo khối lượng riêng bình thểtích lít Ximăng cho rơi tự qua lưới vào phễu đặt bình

ρx= (P2– P1)/ V (g/l) Với: ρx– khối lượng riêng ximăng

P1, V – khối lượng bình rỗng thểtích bình P2– khối lượng bình có ximăng

b Khối lượng riêng ởtrạng thái nén chặt

Đổtrực tiếp ximăng vào bình thểtích lít Ximăng làm chặt cách lắc bàn đến thểtích khơng đổi

6-26

GEOPET

Khối lượng riêng vữa ximăng bịgiới hạn tỷsố nước/ximăng Vữa ximăng có tỷtrọng thấp thường sửdụng đểtránh tượng phá vỡ

vỉa thành hệyếu Các phụ gia trường hợp silicate (với lượng nước trộn nhiều hơn) vật liệu pozzolan, nitrogen, ceramic

Vữa có tỷtrọng cao sửdụng thành hệcó áp suất cao với lượng nước tối thiểu cho phép (17.5 - 18 lb/gal) Tuy nhiên, thiết kếvữa ximăng có tỷtrọng lớn cần ý tượng nước, thời gian đơng cứng, Vữa có tỷtrọng cao tạo cách thêm vật liệu có tỷtrọng lớn giảm tỷlệ nước

6-27

GEOPET

4.3 Khả năng giữ nước

Ximăng cần có khả giữ nước định, không tách riêng pha rắn nước bơm trám Sựtách nước khỏi khối vữa sẽlàm cho cột đá ximăng không đồng nhất, dễtạo “túi nước” làm tăng độthấm nước đá ximăng Ximăng không giữ nước sẽcó độ linh động khó bơm Khả giữ nước ximăng xác định qua hai chỉtiêu:

– Độthoát nước – Độbền lắng

6-28

GEOPET

a Độthốt nước

Xác định cơng thức: B = K[N/X – (N/X)t]X đó: B – lượng nước thoát

(N/X)t– tỉlệ nước/ximăng nước thoát hoàn toàn K – số

X – lượng ximăng khô ban đầu

Định dạng
Số trang	7
Dung lượng	389,72 KB