Cờng độ xi măng là giá trị lực biểu thị cho độ bền cơ học của đá xi măng, bê tông trên một đơn vị diện tích. Đơn vị của cờng độ là N/ mm2 (hoặc MPa). C- ờng độ xi măng bao gồm cờng độ chịu uốn và cờng độ chịu nén đồng nghĩa với cách gọi này, trong các tài liệu chuyên ngành còn dùng các thuật ngữ nh độ bền uốn, độ bền nén, độ bền chịu uốn, độ bền chịu nén, giới hạn bền uốn, giới hạn bền nén.
5.1. ý nghĩa chung
Xi măng có cờng độ cao có vai trò quan trọng để xây dựng các công trình hiện đại và có độ bền lâu. Cờng độ nén của vữa xi măng chuẩn ở tuổi 28 ngày là giá trị biểu thị cho mác của xi măng. Tuỳ theo mục đích sử đụng mà ngời ta quan tâm tới cả cờng độ uốn và cờng độ nén hoặc chỉ quan tâm tới độ bền nén của xi măng. Thờng thì xi măng có cờng độ nén cao sẽ có cờng độ uốn cao. Bởi vậy, th- ờng các tiêu chuẩn chất lợng của sản phẩm xi măng chỉ quy định đối với cờng đó chịu nén. Tuỳ thuộc yêu cầu sử dụng và đặc tính của xi măng có thể đánh giá c- ờng độ ban đầu của xi măng ở các tuổi khác nhau. Thờng thì xi măng poóc lăng đóng rắn nhanh, chỉ cần xác định cờng độ ở tuổi 1 ngày và 7 ngày. Nhng với xi măng phát triển cờng độ chậm (xi măng poóc lăng puzơlan) thì quy định cờng độ 7 ngày là hợp lý. Tiêu chuẩn kỹ thuật xi măng của một số nớc còn không quy định cờng độ ban đầu mà chỉ đối với cờng độ 28 ngày để đánh giá mác.
Quá trình phát triển cờng độ của xi măng phụ thuộc chủ yếu vào clanhke và phụ gia khoáng trong xi măng. Cùng một thời gian đóng rắn và cùng môi tr- ờng đóng rắn nhng cờng độ 3 ngày của xi măng poóc lăng hỗn hợp không thể bằng xi măng poóc lăng không pha phụ gia, cờng độ xi măng bền sun phát, không thể bằng xi mãng poóc lăng v.v. . . .
Tiêu chuẩn Việt Nam đang hiện hành quy định cờng độ của một số loại xi măng nh sau:
+ Xi măng poóc lăng: TCVN 2682: 1999 quy định cờng độ chịu nén của mẫu vữa chuẩn ở tuổi 3 ngày với xi măng PC30 không nhỏ hơn 16 N/mm2, với xi măng PC40 không nhỏ hơn 2 1 N/mm2, với xi măng PC50 không nhỏ hơn 3 1N/mm2 cờng độ chịu nén ở tuổi 28 ngày của mẫu vữa đó không nhỏ hơn giá trị của mác 1à 30 N/mm2, 40 N/mm2 và 50 N/mm2.
+ Xi măng poóc lăng hỗn hợp: TCVN 6260: 1997 quy định cờng độ chịu nén của mẫu vữa chuẩn ở tuổi 3 ngày của mác PCB30 không nhỏ hơn 14 N/mm2, của mác PCB40 không nhỏ hơn 18N/mm2 và cờng độ chịu nén ở tuổi 28 ngày của mẫu vữa đó không nhỏ hơn giá trị của mác là 30N/mm2, 40 N/mm2.
+ Xi măng poóc lăng bền sun phát: TCVN 6067: 1 995 quy định cờng độ chịu nén của mẫu vữa chuẩn ở tuổi 3 ngày của PCS30 và PCHS30 không nhỏ hơn 1 1 N/mm2 và của PCS40,PCHS40 không nhỏ hơn 14N/mm2 cờng độ chịu nén ở tuổi 28 ngày của mẫu vữa đó không nhỏ hơn giá trị của mác là 30 N/mm2 và 40 N/ mm2.
5.2. Một số yếu tố ảnh hởng tới cờng độ xi măng
Quá trình đóng rắn xi măng có rất nhiều yếu tố tác động làm ảnh hởng tới sự phát triển cờng độ của đá xi măng. Thành phần khoáng của clanhke xi măng, độ mịn; hàm lợng nớc, môi trờng, nhiệt độ v.v. . . quyết định cờng độ của đá xi măng và tốc độ phát triển của chúng. Ngoài ra, quy trình thử nghiệm, mức thành thạo, chuẩn xác của thí nghiệm viên cũng ảnh hởng đến kết quả thí nghiệm.
- Thành phần khoáng và điều kiện tạo khoáng quyết định cờng độ của xi măng. Cờng độ xi măng cao, mác ổn định khi clanhke kết khối tốt. Clanhke có khoáng C3S CaO thì cờng độ xi măng phát triển nhanh và cho mác cao.
- Xi măng đợc nghiền mịn, có cấp phối hạt hợp lý và nớc tạo vữa xi măng thấp sẽ cho đá xi măng có cờng độ cao.
Ví dụ: Cùng một loại xi măng nhng bằng phơng pháp xác định cờng độ theo vữa cứng TCVN 2232-77 có lợng nớc thấp thì cho mác 40 N/mm2. Nhng nếu xác định c- ờng độ theo vữa dẻo của TCVN 4032:85 thì chỉ đạt mác 30 N/mm2. Nớc trong xi măng thay đổi còn ảnh hởng tới tốc độ phát triển cờng độ và cho kết quả cờng độ tuổi ban đầu thấp.
Nhiệt độ của môi trờng cao sẽ thúc đẩy nhanh quá trình đóng rắn của các khoáng clanhke và cho cờng độ ban đầu cao. Trong sản xuất cấu kiện bê tông và các sản phẩm từ xi măng đã ứng dụng đặc tính này bằng cách sấy hơi sản phẩm để nhanh tháo dỡ khuôn và giải phóng nhanh kho bãi. Công tác thí nghiệm cũng ứng dụng để xác định nhanh cờng độ của xi măng.
- Lu giữ xi măng lâu ngày sẽ làm giảm đáng kể tới cơng độ xi măng. Môi trờng không khí có độ ẩm và khí CO2 thẩm thấu vào các hạt mịn xi măng thực hiện phản ứng hyđrat và cacbonat hoá làm kéo dài thời gian đông kết và giam mác xi măng. Trung bình độ giảm mác thờng nh sau:
+ Sau 6 tháng lu kho giảm 15: 30% + Sau 12 tháng lu kho giảm 25: 40%.
5.3. Phơng pháp đánh giá cờng độ
Cờng độ xi măng đợc đánh giá theo nhiều cách khác nhau. Có thể thực hiện theo phơng pháp nhanh đối với mẫu từ hồ xi măng đóng rắn hoặc bằng các mẫu vữa hỗn hợp với tỷ lệ xi măng: cát là 1: 3 hoặc 1: 2,5, có thể xác định theo phơng pháp vữa dẻo hoặc vữa cứng v.v... Mỗi phơng pháp sẽ cho những kết quả cờng độ khác nhau. Bởi vậy khi nói cờng độ hoặc nói mác xi măng phải kèm theo phơng pháp đánh giá tơng ứng.
Ví dụ: PC30 theo TCVN 2682: 1999 đợc đanh giá theo phơng pháp xác
định độ bền của TCVLST 60 16: 1995; còn PC30 theo TCVN 2682: 1992 đợc đánh giá theo phơng pháp xác định cờng độ của TCVN 4030-85.
Hiện tại, Việt Nam đang tồn tại hai phơng pháp xác định cờng độ của xi măng, đó là TCVN 4032-85 và TCVN 6016: 1995. Hai phơng pháp trên đều là phơng pháp vữa dẻo nhng lợng nớc trộn vữa khác nhau và cát sử dụng cũng khác nhau.
Phơng pháp xác định cờng độ của xi măng theo TCCVN 4032-85 đợc áp dụng để xác định cờng độ của xi măng trắng, xi măng poóc lăng puzơlan, xi măng poóc lăng bền sun phát v.v... là các loại xi măng có tiêu chuẩn chất lợng từ năm 1995 trở về trớc.
Phơng pháp xác định cờng độ của xi măng theo TCVN 6016: 1995 đợc áp dụng đối với xi măng có tiêu chuẩn chất lợng sau năm 1995 nh xi măng poóc lăng hỗn hợp TCVN 6260: 1997 và xi măng poóc lăng TCVN 2682: 1999.
Tiêu chuẩn TCVN 6016: 1995 “Phơng pháp xác định độ bền của xi măng” đã đợc hoà nhập với tiêu chuẩn quốc tế ISO 679: 1989 và các nớc trong khu vực Bời vậy, tơng lai phơng pháp này chắc chắn sẽ đợc áp dụng rộng rãi đối với các loại xi măng khi các tiêu chuẩn của chúng đợc soát xét thay đổi.
6. Nhiệt thủy hoá của xi măng.
Nhiệt thuỷ hoá của xi măng là nhiệt lợng của một đơn vị khối lợng xi măng sinh ra khi thuỷ hoá. Nhiệt thuỷ hoá xác định tại một thời điểm nhất định là nhiệt lợng của đơn vị khối lợng xi măng sinh ra từ khi bắt đầu thuỷ hoá cho tới thời điểm đó. Đơn vị của nhiệt thuỷ hoá là cal/g.
Khi sử dụng xi măng để chế tạo bê tông, nhiệt thuỷ hoá gây nên chênh lệch nhịp độ giữa bên trong và bên ngoài khối bê tông. Sự chênh lệch nhiệt này tạo ra ứng suất nội làm rạn nứt và giảm độ bền của bê tông. Bởi vậy, đối với các công trình sử dụng bê tông khối lớn nh đập thuỷ điện, công trình ngầm yêu cầu kỹ thuật quy định phải sử dụng xi măng ít toả nhiệt.
Nhiệt thuỷ hoá của xi măng chủ yếu phụ thuộc vào thành phần khoáng của clanhke xi măng. Khoáng C3S, của khi thuỷ hoá có lợng nhiệt toả ra lớn hơn C2S còn C4AF khi thuỷ hoá, lợng nhiệt toả ra không đáng kể.
Xi măng poóc lăng thông dụng có lợng nhiệt thuỷ hoá sau 3 ngày thờng từ 70 - 80 cal/g và sau 28 ngày có thể trên 100 cal/g.
Tiêu chuẩn Việt Nam TCVN 6069: 1 995 xi măng poóc lăng ít toả nhiệt quy định nhiệt thuỷ hoá sau 7 ngày của loại ít toả nhiệt không lớn hơn 60 cal/g và loại toả nhiệt vừa không lớn hơn 70 cal/g. Nhiệt thuỷ hoá sau 28 ngày của xi măng ít toả nhiệt không lớn hơn 70 cal/g và loại toả nhiệt vừa chừng lớn hơn 80 cal/g.
Hiện tại, nhiệt thuỷ hoá của xi măng đợc xác định bằng thiết bị nhiệt lợng kế theo tiêu chuẩn TCVN 6070: 1995.
7. Độbền ăn mòn của đá xi măng .
Độ bền ăn mòn của đá xi măng là khả năng bền vững của đá xi măng trong môi trờng xâm thực. Đá xi măng đóng rắn trong các môi trờng có tác nhân xâm thực bị ăn mòn theo thời gian và trở nên kém bền.
- Môi trờng nớc cứng có hàm lợng Ca(HCO3)2 làm cho độ hoà tan của Ca(OH)2 giảm do phản ứng sau:
Ca(HCO3)2 + Ca(OH)2 2CaCO3 + 2H2O.
Bền thân CaCO3 có độ hoà tan thấp (nhỏ hơn 100 lần so với CaO) và nó bao bọc mặt ngoài đá xi măng ngăn cản sự hoà tan của Ca(OH)2. Bởi vậy trong môi trờng nớc cứng đá xi măng đợc bảo vệ ngăn cản sự ăn mòn.
Trong môi trờng có chứa khí CO2 dới dạng HCO3 nếu một lợng nhỏ CO2 sẽ thúc đẩy quá trình cacbonat hoá của Ca(OH)2 hạn chế sự ăn mòn của đá xi măng bằng phản ứng:
Ca(OH)2 +CO2 CaCO3 + H2O
Nhng nếu lợng khí CO2 lớn quá mức từ 15-20 mg/ 1ít thì cacbonat lại phản ứng tiếp để tạo chất dễ tan theo phản ứng:
CaCO3 + CO2 + H2O Ca(HCO3)2
- Nớc biển, nớc ngầm, nớc khoáng có chứa các thành phần NaCl, MgCl2, MgSO4, CaSO4 v.v.… Chúng phản ứng với các khoáng của xi măng tạo thành các hợp chất dễ phân huỷ hoặc làm tăng thể tích của đá xi măng bằng các phán ứng:
CaSO4 + 3CaO.Al2O3 + 3H2O 3CaO.Al2O3.CaSO4.3 1H2O MgSO4+ Ca(OH)2 + 2H2O CaSO42H2O + Mg(OH)2
MgCl2 + Ca(OH)2 CaCl2 + Mg(OH)2
Để khắc phục sự ăn mòn của đá xi măng trong môi trờng sun phát, ngời ta sản xuất loại clanhke có hàrn lợng khoáng C3A, C3S và vôi tự do (CaOtd) thấp hoặc thay một một phần hàm lợng CaO bằng BaO trong phối liệu sản xuất clanhke. Đó là xi măng bền sun phát. Tiêu chuẩn xi măng poóc lăng bền sun phát của Việt Nam (TCVN 6068: 1995) quy định loại bền sun phát thờng có hàm lợng khoáng C3A không lớn hơn 8% và C3S + C3A không lớn hơn 58%. Loại bền sun phát cao có hàm lợng khoáng C3A nhỏ hơn 5% và C4AF + 2C3A nhỏ hơn 25%.
Để đánh giá sự ăn mòn của đá xi măng, ngoài việc xác định độ bền và một số tính năng khác nh xi măng thông dụng, ngời ta còn xác định độ nở sun phát bằng ph- ơng pháp đo độ nở của vữa 1 xi măng: 2,5 cát ởtuổi 14 ngày đóng rắn.
8. Sự co nở thể tích của đá xi măng
Sự co nở của đá xi măng là quá trình thay đổi thể tích của đá xi măng trong quá trình đóng rắn.
Nói chung, xi măng sau khi đóng rắn thể tích đều co lại so với trạng thái đợc tạo hình ban đầu do có sự bay hơi nớc và mất nớc dần của mạng cấu trúc.
Trong quá trình đóng rắn, đá xi măng đợc bảo dỡng ở điều kiện không khí khô thì co lại và ở môi trơng ẩm thì nở ra nhng cũng không thể bằng thể tích ban đầu, trừ trờng hợp ngâm liên tục trong nớc.
Đặc điểm co lại của đá xi măng làm cho các khớp nối của các công trình xây dựng thờng có vết nứt và thấm nớc.
Để khắc phục sự co lại của đá xi măng ngời ta đa vào phối liệu sản xuất xi măng lợng nhỏ các chất gây nở cho khoáng xi măng thuỷ hoá hoặc sử dụng phụ gia nở trong quá trình chế tạo vữa, bê tông.
Độco hoặc nở của đá xi măng thờng đợc xác định bằng thiết bị Đilatometer .
9. Độtrắng của xi măng
Độ trắng của xi măng là chỉ số kỹ thuật biểu thị mức độ trắng của xi măng poóc lăng trắng, đợc tính bằng phần trăm so với độ trắng của sun phát bari (BaSO4).
Độ trắng của xi măng phụ thuộc chủ yếu vào hàm lợng các khoáng có màu. Hàm lợng tro đọng lại trong clanhke, các xít gây mầu nh FeO3, Cr2O3, MnO v.v... có trong phối liệu sẽ làm cho clanhke có màu xẫm. Ngoài ra, trong quá trình nghiền, hàm lợng sắt của thiết bị mòn vào phối liệu làm cho clanhke có màu trắng kém.
Để tăng độ trắng của xi măng, trớc tiên là phải xác định hỗn hợp phối liệu để clanhke có khoảng C4AF ởmức thấp nhất và sử dụng thiết bị gia công phối liệu không chế tạo bằng sắt; bi và tấm lót máy nghiền có thể làm bằng sứ.
Sử dụng nhiên liệu nung clanhke dạng chất lỏng hoặc khí là tốt nhất. Trờng hợp phải dùng than thì phải dùng than kíp lê có ít tro...
Trong công nghệ, ngời ta thờng áp dụng biện pháp làm nguội clanhke khi ra lò bằng nớc hoặc làm lạnh nhanh để khử Fe2O3 Mn2O3 thanh FeO, Fe3O4 Mn3O4 có màu kém hơn.
Xi măng trắng đợc dùng để hoàn thiện công trình, làm gạch lát nền do đó đòi hỏi phải có màu trắng cao.
Tiêu chuẩn xi măng trắng TCVN 569 1: 1992 quy định loại đặc biệt có độ trắng không nhỏ hơn 80%, loại I độ trắng không nhỏ hơn 75% và loại II độ trắng không nhỏ hơn 68% so với sun phát ban (BaSO4).
Độtrắng của xi măng đợc xác định bằng cách so sánh cờng độ của chùm tia sáng phản xạ qua mẫu chuẩn là BaSO4 và mẫu xi măng cần đo trên máy quang kế điện tử hoặc bằng phơng pháp định tính có thể so sánh đối chứng mẫu xi măng trắng với các mẫu chuẩn xi măng có độ trắng biết trớc.
CÂU HỏI ÔN TậP
1. Nêu các tính chất kỹ thuật của xi măng?
2 . Nêu nguyên nhân gây nên sự không ổn định thể tích của xi măng poóc lăng? 3. Độ mịn ảnh hởng tới chất lợng của xi măng nh thế nào? Tiêu chuẩn xi măng poóc lăng và xi măng poóc láng hỗn hợp quy định độ mịn nh thế nào?
4. Lợng nớc tiêu chuẩn có ý nghĩa nh thế nào? Nêu ứng dụng thực tế?
5.Mác xi măng là gì? Mác xi măng có quan hệ nh thế nào với phơng pháp thử 6. Định nghĩa nhiệt thuỷ hoá của xi măng. Nêu ứng dụng của xi măng ít toả nhiệt
7. Nguyên nhân của quá trình giảm cờng độ bê tông theo thời gian trên các công trình xây dựng.
8. Nêu yếu tố ảnh hởng đến việc bảo quản xi măng. Tại sao tiêu chuẩn Việt Nam hiện hành chỉ quy định bảo hành chất lợng xi măng trong thời gian 2 tháng?
Phần thứ hai
Chơng 4
Thiết bị và dụng cụ thí nghiệm cơ lý xi măng
Chơng này giới thiệu các thiết bị và dụng cụ chính để chính xác định các chỉ tiêu cơ lý của các loại xi măng: xi măng Poóc lăng hỗn hợp, xi măng poóc lăng trắng, xi măng poóc lăng bền sun phát. Mỗi thiết bị bao gồm các mục:
- Cấu tạo và nguyên lý làm việc: Giới thiệu những đặc điểm chung của các loại phổ biến đang hiện hành.
- Hớng dẫn sử dụng: Giới thiệu chung phơng pháp sử dụng, vận hành thiết bị, còn quy trình thao tác cần xem thêm phần “Tiến hành thử” ở các tiêu chuẩn phơng pháp thử.
- Bảo dỡng: Giới thiệu những điểm cần đợc chú ý trong quá trình bảo dỡng để nâng cao tuổi thọ thiết bị và độ chính xác của thiết bị.
Sau đây là một số thiết bị và dụng cụ phổ biến.
1. Máy nén
1.1. Cấu tạo và nguyên lý làm việc
Máy nén là thiết bị chính để thử cờng độ nén của vật liệu xây dựng nói chung và vữa xi măng nói riêng.
Hầu hết các máy nén dành cho thí nghiệm dựa trên nguyên lý cấu tạo xi lanh thuỷ lực với chất lỏng là dầu thuỷ lực. Loại này cho lực nén thờng từ 100