CHẤT KẾT DÍNH XI MĂNG [27]
- Khi nhào trộn chất kết dính có chứa xi măng thì ở giai đoạn đầu xảy ra phản ứng thủy hóa giữa các khống trong xi măng với nước. Trong đó phản ứng của khoáng alit 3CaO.SiO2 với nước xảy ra như sau:
2(3CaO.SiO2) + 6H2O → 3CaO.2SiO2.3H 2O + 3Ca(OH)2 (1)
Vì đã có Ca(OH)2 tách ra từ 3CaO.SiO2 nên 2CaO.SiO2 thủy hóa chậm hơn và tách ra ít Ca(OH)2 hơn:
2(2CaO.SiO2) + 4H2O →3CaO.2SiO2.3H2O + Ca(OH)2 (2) 3Cao.Al2O3 và 4CaO.Al2O3.Fe2O3 cũng phản ứng với nước: 3CaO.Al2O3 + 6H2O → 3CaO. Al2O3.6H2O (3)
4CaO.Al2O3.Fe2O3+mH2O→3CaO.Al2O3.Fe2O3.6H2O+CaO.Fe2O3.nH2O (4) - Khi xi măng rắn chắc, các q trình vật lý và hóa lí phức tạp đi kèm theo các phản ứng hóa học có một ý nghĩa rất lớn và tạo ra sự biến đổi tổng hợp, khiến cho xi măng khi nhào trộn với nước, lúc đầu chỉ là hồ dẻo và sau đó biến thành đá xi măng có cường độ. Tất cả các q trình tác dụng tương hỗ của từng khoáng với nước để tạo ra các sản phẩm mới xảy ra đồng thời, xen kẽ và ảnh hưởng lẫn nhau. Các sản phẩm mới cũng có thể tác dụng tương hỗ với nhau và với các khoáng khác của clanke để hình thành các liên kết mới. Do đó hồ xi măng là một hệ phức tạp cả về cấu trúc thành phần cũng như sự biến đổi. Để giải thích q trình rắn chắc của xi măng người ta dùng thuyết Baikor – Rebinder. Theo thuyết này, quá trình rắn chắc của xi măng được chia làm 3 giai đoạn:
- Giai đoạn hòa tan: Khi nhào trộn xi măng với nước các thành phần khoáng của clanke sẽ tác dụng với nước ngay trên bề mặt hạt xi măng. Những sản phẩm tạo được [Ca(OH)2; 3CaO.Al2O3.6H2O] sẽ tan ra. Nhưng vì độ tan của nó khơng lớn và lượng nước có hạn nên dung dịch nhanh chóng trở nên q bão hịa.
- Giai đoạn hóa keo: Trong dung dịch q bão hịa,các sản phẩm Ca(OH)2; 3CaO.Al2O3.6H2O) mới tạo thành sẽ không tan nữa mà tồn tại ởtrạng thái keo. Cịn các sản phẩm etringit, C-S-H vốn khơng tan nên tồn tại ở thể keo phân tán. Nước vẫn tiếp tục mất đi (bay hơi, phản ứng với xi măng), các sản phẩm mới tiếp tục tạo thành, tỷ lệ rắn/lỏng ngày một tăng, hỗn hợp mất dần tính dẻo, các sản phẩm ở thể keo liên kết với nhau thành thể ngưng keo.
- Giai đoạn kết tinh: Nước ở thể ngưng keo vẫn tiếp tục mất đi, các sản phẩm mới ngày càng nhiều. Chúng kết tinh lại thành tinh thể rồi chuyển sang thể liên tinh làm cho các hệ thống hoá cứng và cường độ tăng.
Hỗn hợp bê tông sử dụng các nguyên liệu như chất kết dính, cốt liệu lớn, cốt liệu nhỏ và nước. Trong bê tơng tro bay có tồn tại thành phần hạt mịn là các hạt tro bay và có thể có các hạt khống siêu mịn, phụ gia hóa học. Trong đó, tro bay được tạo ra do q trình đốt cháy than và được nhiệt hóa tạo thành các hạt cầu có kích thước rất nhỏ dao động trong khoảng 1 – 100 µm. Sự tạo thành này làm cho tro bay có tồn tại những nơi tích điện dương và những nơi tích điện âm trên bề mặt hạt mịn. Nhìn chung, các hạt mịn 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 mịn. Các hạt chứa điện tích này sẽ làm thay đổi môi trường nước, làm thay đổi khả năng tạo ra các trạng thái hóa keo, hịa tan của hạt xi măng.
- Khi sử dụng các hạt tro bay mịn thì trong vữa tro bay và hỗn hợp bê tơng, ngồi những tương tác khơng mang điện luôn luôn tồn tại giữa các nguyên tử và
điện tích và các hạt mịn. Tương tác tĩnh điện trong dung dịch chứa các ion và các hạt rắn tích điện được mơ tả đầu tiên bởi Gouy-Chapmann [2012, 27]. 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 khoảng cách từ điểm đang xét đến bề mặt hạt rắn để tiến tới mật độ điện tích trung bình trong dung dịch. Đối với hạt mịn phần lớn tích điện âm, lớp khuyếch tán vì vậy chủ yếu tích điện dương.
- Bên cạnh đó là lý thuyết của Stern về sự trao đổi ion trên bề mặt các hạt mịn. 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. 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 cácion mang điện tích cùng dấu với điện tíchtrên 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 mịn phần lớn tích điện âm, cấu trúc các lớp điện tích bao quanh hạt mịn được mơ tả trong đó lớp Stern chủ yếu tích điện dương và lớp khuyếch tán dày khoảng 10 Å chủ yếu tích điện âm. 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 và những nơi tích điện dương, lớp khuyếch tán vì vậy cũng tồn tại đồng thời những vùng tích điện trái dấu nhau và do đó trong vữa cũng tồn tại đồng thời lực hút và lực đẩy tĩnh điện giữa các lớp khuyếch tán bao quanh các hạt mịn. 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 mịn hút nhau tạo thành những chùm hạt riêng lẻ kết nối với nhau.
Hình 2.1 Sự phân bố điện tích bao quanh các hạt xi măng theo Stern [ 27]
Do đó, q trình hình thành khả năng lưu biến của hỗn hợp bê tông bắt đầu ngay từ khi nhào trộn các thành phần, trong đó có tro bay dẫn đến sự thay đổi điện tích và độ lưu động của hỗn hợp vật liệu.