Chương 3 : CHẤT KẾT DÍNH VƠ CƠ
3.2. CHẤT KẾT DÍNH RẮN TRONG MƠI TRƯỜNG KHƠNG KHÍ
3.2.1. Thạch cao xây dựng
Thạch cao là chất kết dính rắn trong khơng khí, được chế tạo bằng cách nung đá thạch cao CaSO4.2H2O. Tuỳ theo nhiệt độ nung và công nhiệt mà ta nhận được các sản phẩm thạch cao ở các dạng khác nhau.
- Thạch cao nung ở nhiệt độ thấp (150-1700C): gồm thạch cao xây dựng và thạch cao cường độ thấp.
- Thạch cao nung ở nhiệt độ cao (700-10000C): gồm thạch cao estric và ximăng anhydrit.
3.2.1.1.Khái niệm
Thạch cao xây dựng là một loại bột, được sản xuất từ đá thạch cao bằng cách nung ở nhiệt độ nhất định để khử bớt một phần nước rồi đem nghiền nhỏ.
CaSO4.2H2O CaSO4.0,5H2O + 1,5 H2O - q (3.1)
Dạng cục
CaSO4.0,5H2O đem nghiền nhỏ trở thành thạch cao xây dựng. Thạch cao xây dựng được sản xuất theo 3 phương pháp:
- Nung trong các lò nung: đập đá ra thành các cục nhỏ đem nung rồi nghiền ra dạng bột và xuất xưởng.
- Nung trong các lò chống quay: nghiền đá thạch cao ra dạng bột đem nung cộng với khuấy đảo tạo thành bột thạch cao xây dựng và đem đóng bao, xuất xưởng.
- Vừa nung vừa nghiền: sử dụng thiết bị liên hợp (nung + nghiền) thạch cao xây dựng và đem đóng bao, xuất xưởng.
3.2.1.2.Quá trình rắn chắc
Khi nhào trộn thạch cao với nước sẽ sinh ra loại vữa dẻo có tính linh động cao. Qua q trình biến đổi hố lý, tính dẻo của hỗn hợp mất dần và chuyển sang trạng thái quánh, quá trình
41
này thường gọi là q trình đơng kết. Sau đó hỗn hợp chuyển sang trạng thái đặc quánh, cứng dần và cường độ bắt đầu phát triển, quá trình này gọi là quá trình rắn chắc. Do quá trình đơng kết rất ngắn so với quá trình rắn chắc nên cả hai quá trình này gọi chung là quá trình rắn chắc của thạch cao.
Thạch cao thủy hóa và rắn chắc theo phản ứng hóa học sau:
CaSO4.0,5H2O + 1,5 H2O CaSO4.2H2O + Q (3.2) Khi CaSO4.0,5H2O hydrat hóa thì tỏa ra một lượng nhiệt Q = 31,5 kcal/kg.
Các phản ứng thuỷ hoá thường xảy ra trên bề mặt hạt rồi dần dần ăn sâu vào trong lịng hạt. Do đó, khơng phải lúc nào tất cả các hạt thạch cao đều tác dụng với nước và phản ứng này sẽ xảy ra theo cả một quá trình lâu dài.
Theo Baicop (1923), quá trình rắn chắc của thạch cao chia làm 3 thời kỳ:
Thời kì hồ tan: khi nhào trộn thạch cao vào nước, bề mặt các hạt thạch cao bị hoà tan
dần và tạo thành dung dịch bão hoà CaSO4.2H2O theo phản ứng trên.
Thời kì ninh kết (hố keo): những hạt keo CaSO4.2H2O ngưng lắng dần cùng với mức
độ thuỷ hoá và bốc hơi lượng nước nhào trộn, làm các hạt keo càng gần nhau hơn, tính dẻo giảm đi nhưng thạch cao chưa có cường độ.
Sau khi đã tạo thành dung dịch bão hồ, vì độ hồ tan của thạch cao CaSO4.0.5H2O (8g/l) lớn hơn rất nhiều so với độ hồ tan của sản phẩm thuỷ hố CaSO4.2H2O (2g/l), nên dung dịch trở nên quá bão hoà so với sản phẩm huỷ hoá CaSO4.2H2O. Nước tiếp tục tác dụng với CaSO4.0.5H2O theo hướng trực tiếp tạo thành CaSO4.2H2O có độ phân tán cao. Do gặp dung dịch quá bão hoà, CaSO4.2H2O khơng thể hồ tan được vào dung dịch nên tách ra ở dạng phân tán nhỏ trong dung dịch, tạo cho dung dịch ở trạng thái keo phân tán. Q trình thuỷ hố tiếp tục, số lượng và kích thước các hạt keo tăng, lượng nước giảm dần do q trình thuỷ hố và bốc hơi nên các hạt keo xích lại gần nhau, tính dẻo của hỗn hợp mất dần và hỗn hợp chuyển sang trạng thái keo.
Thời kì rắn chắc (kết tinh): các chất keo bắt đầu xuất hiện các tinh thể, các tinh thể này
ngày càng lớn dần và nhiều lên, lượng nước nhào trộn ngày càng mất đi, làm cho các tinh thể liên kết chặt chẽ với nhau, làm cường độ thạch cao tăng dần.
Cả ba q trình trên khơng diễn ra độc lập mà xảy ra đồng thời với nhau.
CaSO4.0,5H2O + 1,5 H2O
3.2.1.3.Các tính chất kỹ thuật đánh giá chất lượng thạch cao a. Độ mịn
Thạch cao nung xong được nghiền thành bột mịn, thạch cao càng mịn thì quá trình thuỷ hố càng nhanh, rắn chắc càng nhanh và đạt cường độ cao. Độ mịn của thạch cao phải đạt chỉ tiêu lượng sót trên sàng 918 lỗ/cm2. Yêu cầu lớn hơn >85% lọt sàng 918 lỗ/cm2 đối với loại I và > 70% lọt sàng 918 lỗ/cm2 đối với loại II.
Thời kì hồ tan Thời kì ninh kết Thời kì rắn chắc Hồ tan Ngưng keo Rắn chắc (kết tinh)
42
b. Khối lượng riêng ()
Khối lượng riêng của thạch cao thay đổi trong phạm vi hẹp bằng từ 2.60 đến 2.75g/cm3
c. Khối lượng thể tích (v)
Khối lượng thể tích được xác định bằng phương pháp đổ đống, khối lượng thể tích
v bằng từ 800 đến 1100kg/m3
d. Lượng nước tiêu chuẩn
Khi nhào trộn thạch cao với nước để tạo thành vữa, nếu trộn ít nước thì vữa sẽ khơ và khó thi cơng, nếu trộn nhiều q thì vữa sẽ nhão dễ thi cơng nhưng khi cứng rắn, nước bay hơi để lại lỗ rỗng làm cường độ chịu lực giảm. Vì vậy, phải nhào trộn với một lượng nước thích hợp nhằm đảm bảo hai yêu cầu vừa dễ thi công vừa đạt được cường độ chịu lực cao.
Lượng nước đạt được hai yêu cầu trên gọi là lượng nước tiêu chuẩn: lượng nước đó đảm bảo cho hồ thạch cao có độ đặc tiêu chuẩn và được biểu thị bằng tỷ lệ % nước so với thạch cao.
%) 70 50 ( 7 . 0 5 . 0 TC N (3.3) Để xác định lượng nước tiêu chuẩn sử dụng dụng cụ Xuttard. Dụng cụ gồm một ống bằng đồng, dtrong=5cm, h=10cm và tấm kính hình vng có cạnh bằng 20cm. Trên tấm kính có dán giấy vẽ các vòng tròn đồng tâm có đường kính dưới 14cm, vẽ cách nhau 1cm (1,2,3,...,14cm). Còn các vòng tròn to hơn vẽ cách nhau 2cm, (14, 16, 18cm). Tiến hành cân 300g thạch cao trộn với 50-70% nước (150-210g nước), cho thạch cao vào nước và trộn nhanh trong 30giây từ dưới lên cho đồng đều rồi để yên trong vòng một phút. Trộn mạnh 2 cái rồi đổ nhanh hồ thạch cao vào ống hình trụ đặt trên tấm kính nằm ngang, dùng dao gạt bằng và các thao tác làm trong vịng 30giây. Sau đó, rút ống trụ lên theo chiều thẳng đứng, khi đó hồ thạch cao chảy trên tấm kính thành hình nón cụt. Nếu đường kính đáy hình nón cụt là 12cm thì hồ đạt độ đặc tiêu chuẩn, lượng nước nhào trộn đó là lượng nước tiêu chuẩn.
Hình 3.1. Dụng cụ xuttard
e. Thời gian đông kết
Thời gian kể từ khi nhào trộn thạch cao với nước đến khi mất tính dẻo gọi là thời gian đơng kết. Bột thạch cao khi trộn với nước là loại vữa quánh và rắn chắc rất nhanh.
Theo quy phạm, thời gian bắt đầu đông kết
không được sớm hơn 6 phút (thời gian bắt đầu ninh kết là khoảng thời gian kể từ khi bắt đầu nhào trộn thạch cao với nước đến khi hồ mất tính dẻo), ứng với kim vica có đường kính 1.1mm lần đầu tiên cắm sâu cách tấm kính (đáy hồ) 0.5mm (38-39mm).
Thời gian đông kết xong (thời gian từ khi nhào
trộn thạch cao với nước đến khi nó có cường độ nhất định) không được chậm hơn 30phút, ứng với kim vica có đường kính 1.1mm lần đầu tiên cắm sâu vào hồ 0.5mm.
43
Dùng dụng cụ vica để xác định thời gian đơng kết (hình 3.2).
Nếu muốn kéo dài thời gian đông kết, pha thêm nước vơi trong hoặc các hố chất khác (<5%). Để thúc đẩy nhanh thời gian đông kết sử dụng hợp chất Na2SO4.
Việc nghiên cứu thời gian đông kết quyết định thời gian thi công. Sau khi đã bắt đầu đông kết hồ, vữa và bê tông thạch cao không được đổ vào khuôn hoặc dùng để trát bề mặt, đặc biệt sau khi thạch cao đã kết thúc đông kết. Sở dĩ như vậy là vì khi đó, các thao tác của q trình thi cơng sẽ phá vỡ cấu trúc mới được hình thành của hồ thạch cao làm cho cường độ chịu lực sẽ giảm đi nhiều.
f. Cường độ
Cường độ thạch cao phụ thuộc vào độ mịn, lượng nước nhào trộn, độ ẩm môi trường.
Khi thạch cao càng mịn, phản ứng thuỷ hoá xảy ra càng nhanh và triệt để thì cường độ tăng. Nếu lượng nước nhào trộn nhiều, cường độ giảm do khi thạch cao rắn chắc, nước bay hơi để lại các lỗ rỗng. Nếu lượng nước vừa đủ thì cường độ thạch cao khi rắn chắc tăng. Trong trường hợp, độ ẩm mơi trường tăng thì cường độ thạch cao giảm.
Dựa vào cường độ kháng nén, người ta phân loại thạch cao. Loại I: Rn sau 1h30’> 45kG/cm2
Rk sau 1 ngày > 8kG/cm2, Rk sau 7 ngày > 15kG/cm2. Loại II: Rn sau 1h30’> 35kG/cm2
Rk sau 1 ngày > 6kG/cm2, Rk sau 7 ngày > 12kG/cm2.
Xác định cường độ kháng nén bằng cách đúc 3 mẫu hình lập phương cạnh 7.07cm, đem nén sau 1.5 giờ bảo dưỡng. Cách đúc như sau: trộn thạch cao với một lượng nước tương ứng với độ đặc tiêu chuẩn của hồ thạch cao cho tới khi đồng nhất, sau đó đổ đầy dung dịch trộn vào các khuôn. Sau khi đổ đầy khn miết phẳng mặt, sau 1 giờ tính từ lúc bắt đầu trộn thạch cao với nước thì tháo mẫu ra khỏi khn, sau 1.5 giờ tiến hành thí nghiệm nén các mẫu. Cường độ nén (Rn) là trị trung bình cộng của 3 mẫu nén.
3.2.1.4.Cơng dụng và bảo quản
Thạch cao xây dựng là loại vữa bóng, mịn, đẹp nên làm vữa trát ở nơi khơ ráo, làm mơ hình nghiên cứu, tấm ngăn cách, vữa trát cho panen tường, vữa trang trí, tạc tượng, chế tạo khn đối với các sản phẩm có hình dáng phức tạp và dùng để bó bột trong y tế.
Thạch cao ở dạng bột mịn, do đó nếu dự trữ lâu và bảo quản không tốt sẽ hút ẩm làm giảm cường độ. Để chống ẩm cho thạch cao phải bảo quản bằng cách chứa bột thạch cao trong các bao kín có lớp cách nước và để trong kho khơ ráo. Sử dụng thạch cao ở những nơi khơ ráo.
3.2.2. Chất kết dính Manhê
3.2.2.1. Khái niệm
Chất kết dính manhê thường dùng ở dạng bột và được sản xuất bằng cách nung đá manhêzit (MgCO3) hoặc đôlômit (CaCO3. MgCO3) ở nhiệt độ 650-8500C:
MgCO3𝑇=850 0𝐶
→ MgO +CO2 (3.4a)
CaCO3.MgCO3𝑇=650−750 0𝐶
→ MgO +CaO+ CO2 (3.4b)
Sau đó đem nghiền nhỏ thu được chất kết dính manhê.
3.2.2.2. Các tính chất kỹ thuật đánh giá chất lượng
Chất kết dính manhê có các tính chất kỹ thuật:
+ Chỉ rắn chắc trong mơi trường khơng khí với độ ẩm nhỏ hơn 60%.
Hình 3.2.Thiết bị thử thời gian đông kết
1. Thanh chạy. 2. Lỗ trượt; 3. Vít điều chỉnh; 4. Kim chỉ vạch; 5. Thước chia độ;
44
+ Khi nhào trộn với nước thì quá trình rắn chắc xảy ra rất chậm, nhưng nếu nhào trộn với dung dịch clorua manhê MgCl2, hoặc các muối khác như MgSO4 và Fe2(SO4)3 thì quá trình rắn chắc xảy ra nhanh hơn, làm tăng đáng kể cường độ của chất kết dính.
Trong 3 loại trên, chất kết dính manhê trộn với MgCl2 cho cường độ cao nhất. Tác dụng của muối là rút ngắn quá trình rắn chắc và làm tăng đáng kể cường độ của chất kết dính, vì sản phẩm thuỷ hố ngồi Mg(OH)2 cịn có cả muối kép ngậm nước 3MgO.MgCl2.6H2O. Muốn thúc đẩy quá trình rắn chắc thường nâng nhiệt độ phản ứng lên.
+ Có khả năng gắn kết các vật liệu sơ như sơ gỗ, vỏ bào và mùn cưa. Khi chất kết dính
manhê nhào trộn với vỏ bào, mùn cưa thường làm các vật liệu ốp lát, các tấm gỗ cách âm và cách nhiệt.
3.2.2.3. Yêu cầu kỹ thuật
Chất kết dính manhê phải đảm bảo các yêu cầu kĩ thuật sau: + Thời gian bắt đầu ninh kết không được sớm hơn 20phút; + Thời gian ninh kết xong không được muộn hơn 6 giờ; + Có tính ổn định tốt (khơng co nở thể tích khi hút ẩm);
+ Hàm lượng MgO >75% đối với cấp III, hàm lượng MgO >85% đối với cấp II; + Khối lượng riêng =3.1-3.4 g/cm3;
+ Đối với loại chất kết dính manhê cao cấp ta đem xác định cường độ kháng nén, kháng kéo. Để xác định Rn, Rk trộn chất kết dính manhê với bột gỗ theo tỉ lệ 1:3 (1V CKD với 3 V gỗ) sau đó đem thí nghiệm. u cầu: Rn sau 1 ngày >15 kG/cm2, Rn sau 28 ngày = 400-600 kG/cm2, Rk sau 28 ngày 35 kG/cm2.
3.2.2.4. Cơng dụng
Chất kết dính manhê được dùng để sản xuất các tấm cách nhiệt, tấm lát, tấm ốp bên trong nhà.
3.2.3. Thuỷ tinh lỏng
3.2.3.1. Khái niệm
Thuỷ tinh lỏng thường dùng có thành phần hố học là Na2O. nSiO2 hoặc K2O. mSiO2 (với n = 2-3,5, m = 3-4);
Khi hoà tan thuỷ tinh lỏng trong nước tạo ra các dung dịch có độ nhớt khác nhau.
3.2.3.2. Nguyên liệu sản suất
Thuỷ tinh lỏng natri thường sử dụng rộng rãi hơn. Để sản suất, dùng nguyên liệu bột cát thạch anh nguyên chất (SiO2) và Na2CO3 (hoặc Na2SO4 +C), nung trong vòng 10 giờ ở nhiệt độ 1300-14000C, chảy ra thành chất lỏng vào các bình chứa, khi nguội lạnh tạo thành các tảng thuỷ tinh rắn chắc. Cho các tảng này vào các thiết bị đặc biệt có tác dụng của hơi nước ở áp suất p = 3- 8 atm, các tảng rắn chắc sẽ tan dần ra, sau khoảng 3-5 giờ tạo thành các dung dịch thuỷ tinh lỏng.
Na2CO3+ nSiO2 Na2O.nSiO2+CO2 (3.5) hoặc Na2SO4+ nSiO2+C 2Na2O.nSiO2+CO2+ 2SO2 (3.6)
3.2.3.3. Q trình rắn chắc, tính chất kỹ thuật và phạm vi sử dụng
Quá trình rắn chắc: thuỷ tinh lỏng rắn chắc là do q trình tạo hydroxit silic vơ định
hình:
Na2SiO3+ CO2+ 2H2O Na2CO3 +Si(OH)4 (3.7) Để thúc đẩy quá trình rắn chắc của thủy tinh lỏng có thể cho thêm Na2SiF6. Phụ gia Na2SiF6 cịn làm tăng độ bền nước và bền axít của thủy tinh lỏng.
Các tính chất của thuỷ tinh lỏng
+ Khối lượng riêng =1.32-1.50 g/cm3. + Không bị cháy, mục và ăn mòn.
45
+ Dựa vào hệ số silic (mơ đun silíc Mc) khác nhau mà người ta sử dụng thủy tinh lỏng với các mục đích khác nhau: Mc = O Na SiO 2 2 (3.8) Mc = 2-2.5: dùng cho công nghiệp chế biến giấy.
Mc = 2.5-3.3: sử dụng chế tạo vữa và bê tông chống thấm.
Mc = 3.3-3.5: sử dụng chế tạo bê tông bền axit, bê tông chống axit, vữa chống thấm, bê tông xây dựng mặt đường.
Thực tế, người ta sử dụng thủy tinh lỏng như một phụ gia, vừa tăng cường độ vừa tăng khả năng chống thấm, tăng nhanh tốc độ thi công.
Phạm vi sử dụng của thuỷ tinh lỏng: thủy tinh lỏng dùng để sản xuất vữa hay bê tơng
chịu axít, xây dựng các bộ phận của cơng trình trực tiếp tiếp xúc với axít, quét lên bề mặt đá tự nhiên chống phong hố; sản xuất sơn phịng hỏa, làm vữa qt lên bề mặt bê tông chống thấm, gia cố nền đất yếu bằng phương pháp điện thấm, điện hóa.
3.2.4. Vơi khơng khí (vơi canxi)
3.2.4.1. Khái niệm
Vơi rắn trong khơng khí (gọi tắt là vơi) là chất kết dính vơ cơ rắn trong mơi trường khơng khí, có thành phần là CaO. Vôi được sản xuất bằng cách nung ở nhiệt độ 900-11000C các loại đá vơi có lẫn ít tạp chất bẩn sét.
3.2.4.2. Nguyên liệu sản xuất
- Đá vôi canxit đạt các tiêu chuẩn sau:
+ Hàm lượng canxit cacbonat (CaCO3) lớn hơn 94%.
+ Hàm lượng tạp chất sét (Al2O3, SiO2, Fe2O3) không lớn hơn 6%.
- Nguyên liệu để sản xuất vôi là các loại đá vôi canxit như: đá vơi, đá vơi vỏ sị, đá vơi đôlômit.
Tuỳ theo loại lị và nhiên liệu, kích thước mảnh đá canxi cacbonat để nung vôi xây dựng được quy định từ 80 đến 180 mm.
Tuỳ thuộc vào thành phần hố học, đá canxi cacbonat để nung vơi được chia thành hai hạng theo bảng 3.1.
Bảng 3.1. Yêu cầu đá sản xuất vơi
Thành phần hố học Hạng đá
1 2
Hàm lượng canxi oxit (CaO), tính theo %, khơng nhỏ hơn Hàm lượng magie oxit (MgO), tính theo %, không nhỏ hơn
53 2
48 3
Để chế tạo vơi, thường đập đá vơi thành các cục có đường kính từ 5 đến 20cm, nung trong các lị đứng ở nhiệt độ từ 900 đến 1100oC.
3.2.4.3. Các q trình xảy ra khi nung
Khi nung vơi, xảy ra các q trình sau:
Q trình chính: thực chất của q trình nung vơi là thực hiện phản ứng:
CaCO3900−1100𝐶⇔ CaO+CO2-Q (3.9)
đá vôi vơi sống (vơi cục) Đối với đá vơi đơlơmit có thêm phản ứng