CHƯƠNG 2 : CƠ SỞ KHOA HỌC
2.1 Cơ sở q trình đóng rắn với chất kết dính ximăng – tro bay [19, 20, 21]
Hạt ximăng là một hợp chất bao gồm các thành phần chính Calcium Silicate (C3S), Calcium Silicate (C2S), Calsium Alumina(C3A) và các chất rắn hòa tan như Tetracalcium Alumino -Ferrite (C4AF). Các thành phần khống chính này tạo nên sản phẩm hỗn hợp tạo độ bền chủyếu.
Bắt đầu từ khi trộn nước, các hạt ximăng tiếp xúc với nước và xảy ra các phản ứng hóa học.Phản ứng của C3A bắt đầu, những tinh thể ettringit bắt đầu xuất hiện. Khoảng cách giữa các hạt xi măng chứa dung dịch bão hòa SO42- và Ca2+. Thành phần monosunfat được tạo thành, q trình hydrat hóa chậm lại.Sau đó phản ứng kết tinh của silicat, aluminat phía trong màng, màng bị phá vỡ và sự hydrat hóa xảy ra tiếp tục.Quá trình trên lặp lại nhiều lần, hydrosilicat canxi, hydroaluminat canxi kết tinh thành tinh thể được tạo thành. Khi nồng độ cao SO42- và Ca2+ khơng cịn đủ lớn tạo thành ettringit, sự tạo thành gel C-S-H xảy ra liên tục.Các phản ứng hóa học chính xảy ra đối với các thành phần khoáng là:
2(3CaO.SiO2) + 6H2O → 3CaO.SiO2.3H2O + 3Ca(OH)2 2(2CaO.SiO2)+ 4H2O → 3CaO.SiO2.3H2O + Ca(OH)2 3CaO.Al2O3 + 6H2O → 3CaO. Al2O3.6H2O
3CaO.Al2O3 + 3CaSO4.2H2O+ 26 H2O→ 3CaO. Al2O3. 3CaSO4.28H2O 4CaO.Al2O3.Fe2O3 + 12H2O →3CaO. Al2O3.6H2O + CaO.Fe2O3.6H2O
Chính nhờ cơ chế này mà tạo nên cường độ của xi măng. Q trình đóng rắn của đá xi măng thành các giai đoạn chính:
-Giai đoạn 1: Xảy ra sự khuếch tán các hạt xi măng vào trong nước, các phân tử nước tấn công ồ ạt lên bề mặt các hạt xi măng. Bắt đầu hình thành Ca(OH)2 và monosufat C3A.CaSO4.H2O (ettringit) trên bề mặt các hạt khống. Giai đoạn kéo dài khoảng 10 phút và khơng tạo thành cấu trúc.
-Giai đoạn 2: Tốc độ phản ứng hydrat hóa chậm lại do keo monosunfat hình thành bao bọc lấy các hạt xi măng, độ dẻo của vữa trong giai đoạn này là ổn định, sau
đó xuất hiện sự kết tinh của các tinh thể silicat, aluminat phía trong phá hủy màng. Q trình thủy hóa trên được lặp đi lặp lại đến khi nồng độ SO42- khơng cịn đủ để tạo thành ettringit, giai đoạn này kéo dài khoảng 2 giờ và các gel C-S-H bắt đầu xuất hiện.
-Giai đoạn 3: Do nồng độ SO42- quá nhỏ, khả năng tạo lớp keo giả bền và ettringit khơng cịn nữa, tốc độ phản ứng tăng vọt, sự hình thành gel C-S-H lấp đầy vào khoảng trống giữa các hạt xi măng rất nhanh chóng. Cứ thế đá xi măng được tạo thành và cường độ của đá (tính theo cường độ kháng nén) bắt đầu phát triển mạnh. Giai đoạn này kéo dài 24 giờ và phần nhiều khoáng xi măng đã tham gia q trình hydrat hóa.
-Giai đoạn 4: Sau 24 giờ tốc độ thủy hóa của các khống bắt đầu giảm dần, cấu trúc bắt đầu ổn định và phản ứng thủy hóa vẫn tiếp tục với phần khống cịn lại.
Do đó, khi trộn xi măng với nước sẽ xảy ra phản ứng thủy hóa của các khống trong xi măng, hỗn hợp vật liệu có chứa ximăng tạo thành theo thời gian mất dần tính dẻo, sau đó trở nên cứng và có thể chịu lực. Có 2 loại thời gian ninh kết:
-Thời gian bắt đầu ninh kết: Là thời gian từ khi bắt đầu trộn nước đến trước khi vữa mất tính dẻo.
-Thời gian kết thúc ninh kết: Là thời gian từ khi trộn nước đến khi vữa cứng lại và có thể chịu lực.
Đồng thời, trong suốt q trình đóng rắn, thể tích của đá ximăng ln thay đổi. Nếu sự thay đổi này quá lớn hoặc quá nhanh sẽ gây ra rạn nứt cơng trình. Sự khơng ổn định thể tích của ximăng là do oxit CaO và oxit MgO gây nên. Bên cạnh đó, các thành phần của vật liệu phối hợp chung với các hạt ximăng cũng ảnh hưởng đến độ ổn định, làm thay đổi tốc độ thủy hóa, các sản phẩm gel C-S-H, aluminat, hình thành khi cơng trình ổn định cũng gây ra sự mất ổn định thể tích.
Thành phần CaO và Ca(OH)2 sản phẩm của q trình đóng rắn của ximăng tác động đến sự ổn định của cường độ và thể tích. Do đó, các thành phần phụ gia hoạt tính có trong có chức năng phản ứng với CaO, Ca(OH)2 trong bê tông để tạo thành các sản phẩm có tính kết dính, trong đó chủ yếu có oxit silic ( SiO2) và oxit nhơm (Al2O3) hoạt tính thường được dùng để gia cường tính ổn định của vật liệu ximăng. Tro bay là một trong những vật liệu phế thải công nghiệp nhiệt điện, có chứa các thành phần oxit hoạt tính có khả năng như vậy. Phản ứng hóa học xảy ra khi tro bay được kết hợp với ximăng khi đóng rắn.
Đối với thành phần Silicate, xảy ra phản ứng
SiO2+ Ca(OH)2+ H2O → CaO -SiO2-H2O Đối với thành phần Aluminate, xảy ra phản ứng
Al2O3+ Ca(OH)2+ H2O → CaO -Al2O3-H2O Đối với thành phần Ferro Aluminate, xảy ra phản ứng
Fe2O3 + Al2O3+ Ca(OH)2+ H2O → CaO –Fe2O3- Al2O3-H2O
Sản phẩm CaO-SiO2-H2O là pha C-S-H đóng vai trị là chất kết dính trong vật liệu. Khả năng phản ứng do oxit silic (SiO2) và oxit nhơm (Al2O3) hoạt tínhcủa tro bay làm giảm lượng Ca(OH)2 dễ hòa tan trong ximăng và tạo thành gel C-S-H có khả năng rắn chắc và độ ổn định tốt hơn.