I. Cơ sở lý thuyết của việc hình thành cấutrúc rỗng và cường độ cho
1.2. Cơ sở lý thuyết của sự hình thành cấutrúc rỗng tổ ong trong bê tông khí
[8]
Để tạo rỗng cho bê tông khí người ta dùng chất tạo khí trộn đều với hỗn hợp bê tông đã được nhào trộn gồm chất kết dính, thành phần silic và một lượng nước cần thiết, sản phẩm khí tạo ra làm cho hỗn hợp khí bê tông nở phồng trong khuôn,
sau khi kết thúc quá trình tạo khí hỗn hợp bê tông rỗng này rắn chắc lại, tạo thành bê tông khí.
Tuỳ thuộc vào chất tạo khí sử dụng mà xảy ra các phản ứng tạo khí khác nhau. Khi dùng các bột kim loại (Al, Zn, Mg) chúng tác dụng với sản phẩm thuỷ hoá chất kết dính tạo ra khí hiđro. Dung dịch H2O2 có khả năng tách ôxy trong môi trường kiềm 2H2O2<=> 2H2O + O2. Các hợp chất cacbonat (CaCO3, MgCO3) phản ứng với axít (ví dụ HCl) tạo ra khí CO2:
CaCO3 + 2HCl= CaCl2 + H2O + CO2
Hiện nay bột nhôm là chất tạo khí được dùng phổ biến nhất. Bột nhôm ở dạng bột mịn gồm các hạt mỏng dẹt hình bánh đa có đường kính 20- 50 μm, dày 1 - 3 μm có độ nghiền mịn tương ứng ΣS = 7000 - 10000 cm2/g, được cách li với không khí và ẩm bằng một màng rất mỏng parafin hoặc stearin bao phủ bề mặt ngay trong quá trình chế tạo.
Tuy vậy, bề mặt các hạt nhôm đã bị ôxi hoá trong quá trình chế tạo thành bột tạo màng mỏng oxit nhôm bao phủ. Khi sử dụng các chất kiềm hoặc axit mạnh có nồng độ trung bình sẽ có tác dụng phá vỡ màng oxit này:
Al2O3 + 2OH-→ 2Al3+ + 3H2O
Sau đó bề mặt các hạt nhôm nguyên chất xảy ra phản ứng tạo khí: 2Al + 3Ca(OH)2 + 6H2O = 3CaO.Al2O3.6H2O + 3H2 hoặc viết thu gọn ta có:
2Al + 6H+→ 2Al3+ + 3H2
Chỉ số tạo khí của bột nhôm, tức là lượng khí hiđro do 1 gam bột nhôm tách ra khi phản ứng tạo khí xảy ra ở điều kiện nhiệt độ thuận lợi nhất đo được ở trạng thái tiêu chuẩn là ktr = 1250 cm3/g, còn ở 500
C, 1 gam bột Al tách ra là 1500 cm3 khí H2.
Quá trình tạo khí và các biện pháp nhằm nâng cao hiệu quả tạo rỗng khi dùng bột nhôm có thể trình bày tóm tắt như sau:
Sự bắt đầu tách khí được xảy ra sau khi trộn bột nhôm và hỗn hợp bê tông có nhiệt độ 40 ÷ 500
C khoảng 3 ÷ 5 phút. Trong quá trình tách khí và phồng nở hỗn hợp, tại mỗi vị trí có mặt hạt nhôm, phản ứng tạo khí xảy ra. Số lượng bong bóng khí không ngừng được hình thành và tăng dần lên do lượng khí được tạo ra ngày càng nhiều, do sự gắn kết các bong bóng khí ở gần kề nhau và tăng nhiệt độ của hỗn hợp. Đồng thời dưới tác dụng của lực trọng trường và do hỗn hợp bê tông có tính lưu động, các bong bóng khí mới được hình thành còn có khả năng dịch chuyển tương đối trong nội bộ hỗn hợp bê tông, chủ yếu là theo hướng từ dưới lên trên.
Để có cấu trúc rỗng hợp lý, tức là cấu trúc rỗng gồm các lỗ rỗng kín, không thông nhau, kích thước nhỏ và được phân bố đều khắp trong toàn bộ thể tích bê tông, cần phải đảm bảo sao cho quá trình tạo khí và phồng nở xảy ta trong điều kiện thuận lợi, tạo ra và duy trì nhiệt độ thích hợp, đảm bảo đủ các chất phản ứng, dùng bột nhôm có độ phân tán cao và phân bố thật đồng đều các hạt nhôm trong hỗn hợp bê tông có độ lưu động phù hợp trong từng giai đoạn của quá trình tách khí.
Khi các điều kiện khác đã đảm bảo được thì yếu tố quan trọng nhất để tạo nên cấu trúc rỗng tối ưu trong bê tông khí là phải điều khiển được tính chất dẻo nhớt của hỗn hợp bê tông sao cho phù hợp với động học của quá trình tách khí và phồng nở. Trong quá trình tách khí, hỗn hợp bê tông phải đủ lưu động để quá trình tạo khí xảy ra thuận lợi và dễ dàng phân bố bọt khí một cách đồng đều, nhưng vẫn phải đảm bảo sao cho tránh được sự gắn kết và nối liền các bọt khí nhỏ thành những lỗ rỗng lớn và thông nhau. Đặc biệt phải khống chế độ nhớt dẻo của hỗn hợp bê tông khí để lượng khí tách ra có cơ hội thoát ra khỏi hỗn hợp, đảm bảo phát huy cao nhất hiệu quả tạo rỗng và tránh hình thành các lỗ rỗng hở. Khi quá trình thoát khí đã kết thúc thì độ nhớt dẻo của hỗn hợp bê tông khí cần được tăng lên nhanh chóng để ổn định kích thước và vị trí các lỗ rỗng, tránh phân tầng và tách khí từ trong bê tông vào môi trường.
1.3. Cơ sở lý thuyết về cường độ của bê tông khí [8]
Cường độ của bê tông khí phụ thuộc vào các yếu tố: cường độ vách ngăn giữa các lỗ rỗng, độ rỗng, cấu trúc phần rỗng, hình dáng kích thước trung bình của lỗ rỗng và sự phân bố các lỗ rỗng trong bê tông.
Cường độ phần vữa tạo các vách ngăn giữa các lỗ rỗng càng cao thì sẽ đảm bảo cho bê tông khí có cường độ càng cao khi các điều kiện khác không đổi. Các yếu tố ảnh hưởng đến cường độ vữa là chất kết dính và cấu tử silic, tỷ lệ phối hợp giữa chúng, hoạt tính chất kết dính, tỷ lệ N/R, độ nghiền mịn các cấu tử, mức độ đặc chắc của phần vữa, chế độ cứng rắn sau khi tạo hình. Khi các yếu tố khác ảnh hưởng đến cường độ vách ngăn không thay đổi (chất kết dính, cấu tử silic, hệ số silic, chế độ cứng rắn sau tạo hình) thì cường độ vách ngăn chủ yếu phụ thuộc vào tỷ lệ N/R.
Tỷ lệ N/R lớn, trong quá trình cứng rắn lượng nước dư thừa sẽ tạo nên các lỗ rỗng mao quản ở thành vách ngăn, làm giảm độ đặc chắc của vách ngăn, đặc biệt khi hình thành các mạng lưới lỗ rỗng mao quản thông nhau, chúng làm giảm tương ứng tiết diện làm việc (chịu lực) của các vách ngăn giữa các lỗ rỗng gây nên sự tập trung ứng suất trong thể tích nhỏ của vật liệu, làm giảm rõ nét cường độ của nó. Ngược lại, khi tỷ lệ N/R thấp làm giảm đáng kể lượng nước dư thừa, hạn chế hình thành các lỗ rỗng mao quản và các mạng lưới lỗ rỗng mao quản thông nhau, cải thiện độ đặc chắc của vách ngăn, làm tăng tiết diện chịu lực, tăng cường độ. Vì vậy để tăng cường độ cho bê tông khí mà không làm thay đổi nhiều về khối lượng thể tích của cấp phối đã đặt ra ta có thể làm sắp xếp lại các lỗ rỗng, tạo ra các lỗ rỗng dạng hình cầu có kích thước đồng đều nhau, sắp xếp chặt chẽ giữa các lỗ rỗng. Đồng thời làm mỏng và đặc chắc các vách ngăn giữa các lỗ rỗng.
Các diễn biến quá trình hình thành cường độ cho bê tông khí như sau: - Quá trình thủy hóa của xi măng
Quá trình thủy hóa của xi măng diễn ra mạnh mẽ trong hầm dưỡng hộ và quá trình chưng áp. Theo thuyết Baixcop, quá trình thủy hóa được chia ra làm 3 giai đoạn: Giai đoạn hòa tan, giai đoạn hóa keo và giai đoạn đông kết rắn chắc. Khi xi măng tác dụng với H2O sẽ tạo thành hợp chất hydrat có khả năng đông kết và rắn chắc trong hệ. Xi măng poóc lăng gồm nhiều loại khoáng như: C2S (alit), C3S (belit), C3A, C4AF ở dạng pha tinh thể và pha thủy tinh. Vì vậy sự tác dụng của xi măng với nước là do sự tác dụng của các thành phần khoáng riêng biệt của xi măng poóc lăng với H2O. Tùy thuộc vào loại khoáng, hàm lượng pha thủy tinh mà khả năng tương tác của xi măng với H2O sẽ khác nhau. Khi nhào trộn xi măng với nước ở giai đoạn đầu xảy ra quá trình tác dụng vật lý và hóa học. Đầu tiên cùng với sự phân bố nước trên bề mặt hạt xi măng, quá trình hòa tan các khoáng và sự thủy hóa bắt đầu. Phản ứng của các khoáng Alit với nước tạo ra hydro silicat canxi và hydroxit canxi có thể biểu diễn như sau:
2(3CaO.SiO2) + 6H2O = 3CaO.2SiO2.3H2O + 3Ca(OH)2 Khoáng Belit thủy hóa chậm hơn và tách ra ít Ca(OH)2 hơn:
2(2CaO.SiO2) + 4H2O = 3CaO.2SiO2.3H2O + 2Ca(OH)2
Tỉ lệ CaO/SiO2 trong các hydro silicat trong hồ xi măng có thể thay đổi phụ thuộc vào thành phần vật liệu, điều kiện rắn chắc và các yếu tố khác.
Tricanxi aluminat sẽ kết hợp với thạch cao tạo thành khoáng entrigit theo phản ứng:
3CaO.Al2O3 + 3(CaSO4.2H2O) +26H2O = 3CaO.Al2O3.3CaSO4.32H2O Entrigit có thể tác dụng với 3CaO.Al2O3 còn dư khi thiếu thạch cao tạo ra muối kép hydrosunphoaluminat canxi một sunfat:
2(3CaO.Al2O3) + 3CaO.Al2O3.3CaSO4.32H2O + 22H2O =
Tetracanxi alumoferit tác dụng với nước tạo ra hydro aluminat và hydroferit canxi theo phương trình:
4CaO.Al2O3.Fe2O3 + mH2O = 3CaO.Al2O3.6 H2O + CaO.Fe2O3.nH2O Sự rắn chắc của xi măng pooc lăng, một chất kết dính đa khoáng là một quá trình hóa lý phức tạp kèm theo sự biến đổi liên tục và sự hình thành cấu trúc đá xi măng.
Tuy nhiên với công nghệ bê tông khí chưng áp, các thành phần hoạt tính SiO2 của cát kết hợp với Ca(OH)2 tạo thành do thủy hóa các khoáng của clanhke xi măng poóc lăng và lượng vôi đưa vào khi chưng áp ở nhiệt độ cao (195 – 205o
C) và áp suất cao (11 – 12 atm).
- Quá trình phản ứng giữa vôi và oxit Silic.
Trong bê tông khí chưng áp, oxit Silic tham gia phản ứng với Ca(OH)2 để tạo thành sản phẩm có cường độ. Phản ứng này không xảy ra ở điều kiện nhiệt độ thường, mà cần có điều kiện nhiệt và sáp xuất cao: P = 9 – 16 atm và t = 175 – 215oC. Ở điều kiện trên, nếu thành phần Silic đủ mịn có thể xảy ra phản ứng:
SiO2 + Ca(OH)2 + H2O → CnSmHp
Theo A.V.Volrensky, quá trình phản ứng trên chia làm 3 giai đoạn:
+ Giai đoạn 1: Nâng nhiệt độ và áp suất đến giá trị lớn nhất quy định. Trong
giai đoạn này xảy ra sự đốt nóng bê tông dần dần từ phía ngoài vào phía trong và hơi nước với áp suất tăng lên sẽ thâm nhập vào các lỗ rỗng của bê tông ngưng tụ lại vì bê tông chưa được đốt nóng đầy đủ, làm tăng độ ẩm trong hệ. Ca(OH)2 bị hòa tan, sau đó là sự hòa tan SiO2 trong dung dịch Ca(OH)2. Nhiệt độ trong hệ càng tăng lên thì SiO2 được hòa tan càng nhiều. Khi có sự hòa tan SiO2 cũng là lúc bắt đầu có phản ứng hóa học giữa nó với Ca(OH)2. Ở cuối giai đoạn này phản ứng giữa Ca(OH)2 và SiO2 đã khá mạnh mẽ.
do sự hòa tan SiO2 còn chậm vào môi trường kiềm bão hòa Ca(OH)2 nên sản phẩm tạo thành chủ yếu ở dạng C2SH(A), (loại kiềm cao) có cường độ cơ học không cao, kém ổn định. Càng về sau, tốc độ hòa tan SiO2 càng tăng lên, ngược lại nồng độ Ca(OH)2 lại giảm xuống do được chuyển vào pha rắn của sản phẩm thủy hóa là điều kiện thuận lợi để tạo thành các sản phẩm thủy hóa ít canxi (kiềm thấp), chủ yếu là SCH(B), một phần nhỏ C4S5H5 (tobemôrit), cũng như C6S6H (Kxônốtlit). Đây là những hợp chất mới tạo thành có cường độ cao và ổn định.
Ở cuối giai đoạn hằng nhiệt nồng độ SiO2 càng tăng lên và Ca(OH)2 giảm xuống cũng tạo điều kiện để thủy phân C2SH(A) và giải phóng ra Ca(OH)2. Ca(OH)2 giải phóng ra lại tác dụng với SiO2 hòa tan tạo thành các hợp chất dạng kiềm thấp CSH(B) cải thiện tính chất của bê tông.
Như vậy giai đoạn hai - hằng nhiệt, hằng áp - là giai đoạn quan trọng nhất vì nó tạo điều kiện thuận lợi cho phản ứng giữa Ca(OH)2 vớ SiO2 xảy ra hoàn toàn. Giai đoạn này cần được kéo dài hợp lý để đảm bảo tạo nên các hợp chất thủy hóa dạng xi măng có độ kiềm thấp làm tăng cường độ của bê tông.
+ Giai đoạn 3: Hạ nhiệt độ và áp suất. Khi ngừng cấp hơi nước, nhiệt độ
trong autoclave giảm nhanh, nhiệt độ trong bê tông giảm chậm nên có sự chênh lệch nhiệt độ với môi trường trong autoclave làm cho nước trong bê tông bay hơi mạnh mẽ, nồng độ Ca(OH)2 trong bê tông tăng lên có thể tạo nên một lượng bổ sung C2SH(A). Sau khi gia công nhiệt autoclave nếu trong bê tông vẫn còn Ca(OH)2 thì nó sẽ bị Cacbonat hóa trong không khí ẩm chứa CO2.