4. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu
2.5. Cấu trúc bê tông của vữa ximăng
Xi măng được chế tạo bằng cách tán nghiền các hạt vật liệu Clinker dưới tác dụng của những va chạm rất mạnh nhằm phân chia những hạt vật liệu này thành những phần tử có kích thước rất nhỏ dao động trong khoảng 1 – 100 μm. Sự tán nghiền này kèm theo sự cắt đứt các liên kết tĩnh điện của vật liệu, dẫn đến hiện tượng tồn tại đồng thời những nơi tích điện dương và những nơi tích điện âm trên bề mặt hạt xi măng. Nhìn chung, các hạt xi măng thường tích điện âm nhiều hơn (khoảng 3 lần) so với tích điện dương, các điện tích âm thường tập trung ở những chỗ bằng phẳng và ngược lại, các điện tích dương thường tập trung ở những nơi góc cạnh của hạt xi măng. Hiện tượng này một mặt là do các hạt tích điện dương bị trung hòa một phần bởi các electron tự do trong môi trường, mặt khác là do các hạt điện tích âm thường có kích thước lớn hơn các hạt điện tích dương [7].
27
Xi măng Portland được cấu tạo chủ yếu từ 4 thành phần khoáng : 3CaO.SiO2 (ký hiệu C3S), 2CaO.SiO2 (ký hiệu C2S), 3CaO.Al2O3 (ký hiệu C3A) và 4CaO.Al2O3.Fe2O3 (ký hiệu C4AF), ngoài ra còn một số thành phần khác chiếm tỉ lệ nhỏ như CaO, CaCO3, MgO, K2SO4…
Khi xi măng được trộn với nước, các thành phần này ngay lập tức bị điện ly, dung dịch nhanh chóng đạt tới trạng thái bão hòa bởi các điện tích Ca2 +, Na+, K+, SO42-, OH-, H9O4+… Chính vì vậy, trong vữa xi măng và bê tông, ngoài những tương tác không mang điện luôn luôn tồn tại giữa các nguyên tử và phân tử (lực hút Van der Waals, lực đẩy Born) còn có tương tác tĩnh điện giữa các điện tích và các hạt xi măng dưới đây.
Tương tác tĩnh điện trong dung dịch chứa các ion và các hạt rắn tích điện được mô tả đầu tiên bởi Gouy-Chapmann [8]. Theo tác giả, các ion trong dung dịch, dưới tác dụng của lực hút tĩnh điện, đến bám vào bề mặt các hạt rắn tạo thành một lớp điện tích có chiều dày 500 Å được gọi là lớp khuyếch tán Gouy- Chapmann. Mật độ điện tích trong lớp khuyếch tán thay đổi theo hàm số mũ với kho ảng cách từ điểm đ ang xét đến bề mặt hạt rắn để tiến tới mật độ điện tích trung bình trong dung dịch. Đối với hạt xi măng phần lớn tích điện âm, lớp khuyếch tán vì vậy chủ yếu tích điện dương.
Một lý thuyết khác mới hơn được vận dụng trong nhiều nghiên cứu về sau là lý thuyết của Stern. Theo tác giả, các ion trong dung dịch đến bám vào bề mặt hạt rắn tạo thành hai lớp điện tích. Lớp bên trong được gọi là lớp Stern bao gồm các điện tích mang dấu ngược với dấu điện tích của hạt rắn.
28
Lớp điện tích này có chiều dày nhỏ, liên kết rất chặt chẽ và cùng di chuyển với các hạt rắn khi chúng chuyển động trong dung dịch. Ngoài lớp Stern là lớp khuyếch tán chủ yếu chứa các ion mang điện tích cùng dấu với điện tích trên bề mặt hạt rắn. Chiều dày lớp khuyếch tán dao động trong khoảng 10 – 1000 Å, càng nhỏ khi mật độ điện tích càng lớn. Đối với hạt xi măng phần lớn tích điện âm, cấu trúc các lớp điện tích bao quanh hạt xi măng được mô tả như trên hình 2. trong đó lớp Stern chủ yếu tích điện dương và lớp khuyếch tán dày khoảng 10 Å [9] chủ yếu tích điện âm.
Hình 2. Mô tả sự phân bố điện tích bao quanh hạt xi măng theo lý thuyết Stern.
Mặc dù lý thuyết Gouy-Chapmann và Stern đưa ra những cấu trúc điện tích khác nhau bao quanh các hạt rắn tích điện, cả hai lý thuyết đều chỉ ra rằng các lớp khuyếch tán bao quanh các hạt rắn đẩy nhau do tích điện cùng dấu với nhau. Trong trường hợp hạt xi măng tồn tại đồng thời những nơi tích điện âm (những nơi bằng phẳng) và những nơi tích điện dương (những nơi góc cạnh), lớp khuyếch tán vì vậy cũng tồn tại đồng thời những vùng tích điện trái dấu nhau và do đó trong vữa xi măng cũng tồn tại đồng thời lực hút và lực đẩy tĩnh điện giữa các lớp khuyếch tán bao quanh các hạt xi măng.
29
Hình 3. Mô tả cấu trúc kết bông của vữa xi măng.
Rất nhiều nghiên cứu đã chỉ ra rằng tổng hợp những tương tác này tạo nên cấu trúc kết bông của vữa xi măng trong đó các hạt xi măng hút nhau tạo thành những chùm hạt riêng rẽ hoặc được ghép nối với nhau như mô tả như trên hình 3. Theo Legrand [8], do các hạt xi măng tích điện âm ở những nơi bằng phẳng và tích điện dương ở những nơi góc cạnh, liên kết giữa các hạt xi măng vì vậy có dạng liên kết điểm, có thể liên kết thông qua các lớp khuyếch tán hoặc liên kết trực tiếp. Những liên kết này ổn định và bền vững do còn được tăng cường bởi lực hút Van der Waals. Lân c ận những điểm liên kết này, lực đẩy tĩnh điện giữa các lớp khuyếch tán có xu hướng mở các góc liên kết giữa các hạt xi măng nếu như các môi trường xung quanh không ngăn chặn. Điều này tạo ra sự ổn định cho cấu trúc kết bông của xi măng.