Chương 2 THỰC NGHIỆM
2.1.Đối tượng nghiên cứu
2.1.1. Lịch sử hình thành xi măng
Từ xa xưa, con người đã biết dùng những vật liệu đơn sơ như đất sét, đất bùn nhào rác, dăm gỗ, cỏ khơ băm …để làm gạch, đắp tường, dựng vách cho chỗ trú ngụ của mình. Cĩ thể tĩm lược các bước hình thành xi măng như sau:
- Người Ai Cập đã dùng vơi tơi làm vật liệu chính.
- Người Hy Lạp trơn thêm vào vơi đất núi lửa ở đảo Santorin hỗn hợp này đã được các nhà xây dựng thời đĩ ưu ái nhiều năm.
- Người La Mã thêm vào loại tro – đất núi lửa Vésuve miền Puzzolles. Về sau này, phún – xuất – thạch núi lửa được dùng làm một loại phụ gia hoạt tính chịu cách nhiệt và cách âm, và trở thành danh từ chung “Pozzolana” (Anh), “Pouzzolane” (Pháp)
- Vào năm 1750, kỹ sư Smeaton người Anh, nhận nhiệm vụ xây dựng ngọn hải đăng Eddystone vùng Cornuailles. Ơng đã thử nghiệm dùng lần lượt các loại vật liệu như thạch cao, đá vơi, đá phún xuất… Và ơng khám phá ra rằng loại tốt nhất đĩ là hỗn hợp nung giữa đá vơi và đất sét.
- Hơn 60 năm sau, 1812, một người Pháp tên Louis Vicat hồn chỉnh điều khám phá của Smeaton, bằng cách xác định vai trị và tỷ lệ đất sét trong hỗn hợp vơi nung nĩi trên. Và thành quả của ơng là bước quyết định ra cơng thức chế tạo xi măng sau này.
- Ít năm sau, 1824, một người Anh tên Joseph Aspdin lấy bằng sáng chế xi măng (bởi từ latinh Caementum : chất kết dính),trên cơ sở nung một hỗn hợp 3 phần đá vơi + 1 phần đất sét.
- Chưa hết, 20 năm sau, Isaac Charles Johnson đẩy thêm một bước nữa bằng cách nâng cao nhiệt độ nung tới mức làm nĩng chảy một phần nguyên liệu trước khi kết khối thành “clinker”.
- Vào năm 1967 Mơng đuyê, một người làm vườn ở Pháp đã lấy dây thép nhỏ quấn quanh chậu hoa cho khỏi vỡ. Sau đĩ một thời gian ơng này lại lấy dây thép kết thành hình chậu hoa và đổ xi măng vào, kết quả tuyệt vời hơn. Từ đĩ ơng giành được quyền sáng chế. Đây chính là cội nguồn của các loại bê tơng tấm, xà, ống trong xây dựng và gọi là bê tơng ống thép. Từ đây, như chúng ta biết, đã bùng nổ hằng loạt các nhà máy lớn nhỏ với nhiều kiểu lị nung tính năng khác nhau: xi măng đã làm một cuộc cách mạng trong lĩnh vực xây dựng.
Trước cơng nguyên thì người Ai cập cổ dùng mật mía hay nước mía đặc trộn với 1 số chất phụ gia chống lại sự thèm muốn của các lồi cơn trùng để xây nhà và các kim tự tháp. Người Trung Hoa
thì dùng mạch nha với thành phần chủ yếu là tinh bột nĩng để xây. Một đều thú vị là tuổi thọ của chúng cao hơn xi măng hiện nay rất nhiều.
Ở nơi cách Tân Calêdonia 40 hải lý về phía Nam cĩ một đảo nhỏ gọi là Baien, từ xưa đến nay chưa từng cĩ ai cư ngụ ở đĩ. Nhưng trên hoang đảo nhỏ này lại cĩ khoảng 400 gị đất kỳ quái. Chúng được xây nên từ cát và đá cao khoảng 2,5-3m, mặt nghiêng khoảng 90m. Trên gị đất khơng cĩ bất kỳ một loại thực vật nào sinh trưởng, cảnh vật vơ cùng hoang vắng. Những người đã từng đến đây cho rằng, đĩ là các di chỉ từ thời cổ đại. Năm 1960, nhà khảo cổ học Cheliwa đến hịn đảo nhỏ này tiến hành khai quật các di chỉ. Ơng đã khám phá một điều ngồi sức tưởng tượng, đĩ là trên 3 di chỉ cổ ở giữa đều cĩ 1 cột trụ xi măng nằm song song với nhau. Những cột trụ này cao từ 1m đến 2,5 m, trong xi măng của cột trụ cịn lẫn vỏ ốc, vỏ sị vỡ. Cheliwa vơ cùng kinh ngạc bởi ơng biết xi măng mới được phát minh từ thế kỷ XIX cho dù là hỗn hợp đất đá xám tương tự như xi măng cũng chỉ được người La Mã cổ đại tìm ra trong khoảng năm 500 đến 600 trước Cơng nguyên. Ơng đã mời những nhà nghiên cứu khoa học đến để dùng phĩng xạ kiểm tra các cột trụ này. Trắc nghiệm đã cho thấy, niên đại của những cột trụ xi măng này vào khoảng năm 10950 – 5120 trước Cơng nguyên. Cũng cĩ thể nĩi, những cột trụ xi măng của đảo Baien được xuất hiện từ thời kỳ đồ đá, sớm hơn rất nhiều so với thời đại La Mã cổ. Theo phán đốn, phương pháp chế tác đương thời là đắp các gị đất, sau đĩ rĩt xi măng vào làm cho đơng cứng lại. Nhưng xung quanh những cột xi măng này lại khơng hề cĩ bất cứ dấu tích nào về hoạt động của con người. Bởi vậy, người ta vẫn khơng cĩ phương pháp nào biết được ai là người chế tạo nên các cột trụ xi măng. Cĩ thể nĩi, những cột trụ xi măng này cĩ tác dụng gì vẫn là một trong những điều khĩ giải thích trong kho tàng bí mật của nhân loại.
Ở Việt Nam cùng với ngành cơng nghiệp than, dệt, đường sắt… ngành sản xuất xi măng ở nước ta đã được hình thành từ rất sớm. Bắt đầu là việc khởi cơng xây dựng nhà máy xi măng Hải Phịng vào ngày 25/12/1889, cái nơi đầu tiên của ngành xi măng Việt Nam. Trải qua hơn một thế kỷ xây dựng và phát triển, đội ngũ những người thợ sản xuất xi măng Việt Nam ngày càng lớn mạnh. Với lực lượng cán bộ, cơng nhân gần 50.000 người, ngành sản xuất xi măng Việt Nam đã làm nên những thành tựu to lớn, đĩng gĩp quan trọng vào sự nghiệp phát triển kinh tế xã hội của đất nước. Một thế kỷ trước đây xi măng Việt Nam mới chỉ cĩ một thương hiệu con Rồng nhưng đã nổi tiếng ở trong nước và một số vùng Viễn Đơng, Vlađivostoc (LB Nga), JAWA (Inđơnêxia), Xingapo, Hoa Nam (Trung Quốc)… Sau năm 1975 lại cĩ thêm thương hiệu xi măng Hà Tiên, đến nay ngành xi măng nước ta đã cĩ thêm hàng loạt những thương hiệu nổi tiếng như: Xi măng Bỉm Sơn nhãn hiệu Con Voi, xi măng Hồng Thạch nhãn hiệu con Sư Tử, xi măng Hà Tiên I,II, Bút Sơn, Hồng Mai, Tam Điệp, Nghi Sơn, Chinh Phong…
Xi măng là một loại vật liệu xây dựng, ở dạng bột min, màu lục xám được tạo thành chủ yếu từ hỗn hợp các canxi silicat (Ca3SiO5, Ca2SiO4), aluminat ([Ca3(AlO3)2]), ngồi ra cịn cĩ ferat sắt.
Khi đã nhào trộn với nước, xi măng sẽ đơng cứng sau vài giờ. Khác hẳn với quá trình đơng cứng của vơi, quá trình đơng cứng của xi măng chủ yếu là do sự hidrat hĩa của những hợp chất cĩ trong xi măng, tạo ra hidrat tinh thể:
Ca3SiO5 + 5H2O → Ca2SiO4 + 4H2O + Ca(OH)2 Ca2SiO4 + 4H2O → Ca2SiO4 . 4H2O
Ca3(AlO3)2 + 6H2O → Ca3(Al03)2 . 6H2O
Sau thời gian đơng cứng ban đầu, quá trình đơng cứng cịn tiếp tục tăng do sự hidrat hố cịn lan sâu vào bên trong hạt xi măng. Với xi măng để làm chất kết dính trong xây dựng, người ta thường trộn xi măng với cát, (1 phần xi măng với 2 phần cát) hoặc với cát và vơi. Xi măng được dùng phổ biến để đúc bêtơng. Ngồi ra hỗn hợp của xi măng và amiăng (20%) được ép thành tấm dùng để lợp nhà gọi là fibro xi măng.
2.1.3. Phân loại xi măng
Cĩ nhiều loại xi măng như: xi măng Pooclăng (Portland), xi măng aluminat, xi măng pouzoland. Chúng khác nhau chủ yếu là thành phần khống vật. Trong đĩ xi măng Pooclăng là phổ biến nhất.
2.1.3.1. Nguồn gốc của xi măng Portland
Portland là tên một bán đảo ở miền Nam nước Anh. Đất đá miền này sau khi nghiền mịn thì trở thành một chất kết dính xây dựng tự nhiên cĩ màu xám xanh mà khơng phải qua pha chế nung luyện gì cả. Tại vùng này xưa kia cĩ nhiều núi lửa, và đất đá ở đây chính là sản phẩm từ việc nung luyện xi măng tự nhiên từ xa xưa. Tuy nhiên, xi măng tự nhiên này khơng được cứng chắc như xi măng ngày nay do lẫn nhiều tạp chất và sự nung luyện của núi lửa khơng phải là một qui trình kỹ thuật hồn chỉnh. Do nguồn gốc đĩ mà xi măng ngày nay thường được gọi là xi măng Portland.
2.1.3.2. Cấu tạo, cơng thức hĩa học của xi măng Portland
Xi măng Portland là một hỗn hợp nghiền mịn của clinker, thạch cao cĩ thể cĩ hay khơng cĩ đá phụ gia. Tùy theo hàm lượng đá phụ gia nghiền mà thành phần các oxit chính trong xi măng thay đổi trong khoảng sau:
CaO: 50-60 %; SiO2 : 20-30 %; Fe2O3: 3-15 %; Al2O3: 5 - 20 %; SO3: 2- 4 %. Clinker là sản phẩm nung thiêu kết của đá vơi – đất sét ở 1450 độ C. Chất lượng của clinker sẽ quyết định tính chất của xi măng. Thành phần tổng quát của clinker như sau: CaO: 62-68 %; SiO2: 21- 24 %; Al2O3: 4- 8 %; Fe2O3: 2- 5%.
Ngịai ra cịn cĩ một số các oxit khác ở hàm lượng nhỏ:
- MgO, Na2O, K2O (hàm lượng MgO<=5%, tổng hàm lượng kiềm khơng vượt quá 2%).
- Các oxit trên khơng tồn tại ở dạng tự do trong clinker, trong quá trình nung thiêu kết sẽ hình thành 04 khống chính trong clinker đĩ là C3S; C2S; C3A; C4AF. Các khĩang này cĩ cấu trúc tinh thể khác nhau và quyết định đến tính chất của clinker.
2.1.3.3. Nguồn gốc phĩng xạ của xi măng
Xi măng cĩ chứa phĩng xạ là do các yếu tố sau: - Xi măng làm từ đá vơi (CaCO3) và đất sét (Soi). (adsbygoogle = window.adsbygoogle || []).push({});
- Trong các vật liệu xây dựng cũng cĩ phĩng xạ ở trước phơng.
- Một vài dạng xi măng cịn thêm phụ gia là xỉ than, bột tro bay, thạch anh của các nhà máy nhiệt điện, mà xỉ tro bay là lượng thiêu kết của than đá, chúng chứa phĩng xạ của than đá và đã được làm giàu lên hang trăm lần do quá trình cháy.