CHƯƠNG 2. CƠ SỞ LÝ THUYẾT TÍNH TOÁN TÁC ĐỘNG CỦA NHIỆT THỦY HÓA
2.1. Thủy hóa trong xi măng
Trong quá trình thủy hóa (phản ứng với nước) xi măng poóc lăng trộn với cát, sỏi và nước tạo ra khối đá mà chúng ta gọi là bê tông.
Trong luận văn này sẽ bàn luận về những gì sẽ xảy ra khi xi măng được trộn với nước.
Clinker sản phẩm đầu ra của lò quay nung clinker. Bột xi măng cũng khan nếu chúng ta bỏ qua một lượng nhỏ nước trong thạch cao được thêm vào ở công đoạn nghiền clinker.
Phản ứng với nước được gọi là "thủy hóa". Điều này liên quan đến nhiều phản ứng khác nhau, thường xảy ra cùng một lúc. Khi các phản ứng xảy ra, các sản phẩm của quá trình hydrat hóa dần kết nối từng hạt cát và các hạt sỏi và các thành phần khác của bê tông, tạo thành một khối chất rắn.
Quá trình thủy hóa: các phản ứng ở trạng thái khan, clinker có bốn loại khoáng chính là: alite, belite, aluminate (C3A) và pha ferrite (C4AF). Ngoài ra còn có một lượng nhỏ sulfate (natri, kali và canxi sulfate) và thạch cao, được bổ sung khi nghiền clinker để tạo thành xi măng.
Khi bổ sung nước, các phản ứng xảy ra chủ yếu là phản ứng tỏa nhiệt, nghĩa là các phản ứng sinh ra nhiệt. Chúng ta có thể có biểu thị về tốc độ mà các khoáng đang phản ứng bằng cách theo dõi tốc độ mà nhiệt giải phóng bằng cách sử dụng một thiết bị được gọi là calometry nhiệt dẫn.
Ba phản ứng chính xảy ra:
- Gần như ngay lập tức khi thêm nước, một số chất sulfate trong clinker và thạch cao hòa tan tạo ra dung dịch chứa kiềm và giàu sulfate.
- Ngay sau khi pha trộn, pha (C3A) (phản ứng mạnh nhất trong bốn khoáng clinker chính) phản ứng với nước để tạo thành một gel giàu Aluminate. Gel này phản ứng với sulfate trong dung dịch để tạo ra các tinh thể nhỏ ettringite giống hình que, hình kim. (C3A) phản ứng với nước có độ tỏa nhiệt mạnh nhưng không kéo dài, điển hình chỉ vài phút và sau đó là một vài giờ nhiệt giải phóng tương đối thấp. Đây được gọi là giai đoạn ngủ đông, hoặc giai đoạn cảm ứng (Giai đoạn II).
- Phần đầu của khoảng thời gian ngủ đông, có thể lên đến nửa giai đoạn này, tương ứng với khi bê tông có thể đã được thi công. Khi trong tiến trình giai đoạn ngủ
đông có thể ở giữa giai đoạn, hồ xi măng trở nên quá cứng để có thể thi công được.
Vào cuối thời kỳ ngủ đông (Dormant), khoáng alite và belite trong xi măng bắt đầu phản ứng, với sự hình thành calcium silicate hydrate và calcium hydroxide. Điều này tương ứng với thời kỳ thủy hóa chính (Giai đoạn III), trong thời gian đó cường độ bê tông tăng lên. Các hạt riêng lẻ phản ứng từ bề mặt vào bên trong, và các hạt khan trở nên nhỏ hơn. (C3A) cũng tiếp tục thủy hóa khi những tinh thể chưa phản ứng có thể tiếp cận với nước.
Giai đoạn tỏa nhiệt lớn nhất thường xảy ra trong khoảng từ 10 đến 20 giờ sau khi trộn và sau đó giảm dần. Trong một hỗn hợp có chứa xi măng poóc lăng, hầu hết cường độ đạt được đã xảy ra trong vòng một tháng. Trường hợp xi măng PC đã được thay thế một phần bằng các phụ gia khác như tro bay, tăng trưởng cường độ có thể xảy ra chậm hơn và tiếp tục trong vài tháng hoặc thậm chí một năm.
Ferrite cũng bắt đầu phản ứng nhanh chóng khi nước được thêm vào, nhưng sau đó chậm lại, có thể vì hình thành một lớp gel hydroxit sắt, phủ ferrit và đóng vai trò như một rào cản, ngăn ngừa phản ứng tiếp theo.
Sản phẩm thủy hóa:
Các sản phẩm của phản ứng giữa xi măng và nước được gọi là "sản phẩm thủy hóa". Trong bê tông (hoặc vữa) thường có bốn loại chính:
- Calcium silicate hydrate: Đây là sản phẩm phản ứng chính và là nguồn đóng góp chính cho cường độ bê tông. Nó thường được viết tắt, sử dụng ký hiệu của các nhà hóa học xi măng là "C-S-H", các dấu gạch ngang chỉ ra rằng không có tỷ số chặt chẽ SiO2 với CaO được suy ra. Tỷ lệ Si/Ca có phần thay đổi nhưng thường xấp xỉ khoảng 0,45-0,50 trong xi măng poóc lăng ngậm nước nhưng có thể lên đến khoảng 0,6 nếu xỉ hoặc tro bay hoặc microsilica có mặt, tùy thuộc vào tỷ lệ.
- Canxi hydroxit: (hoặc Portlandite) - Ca(OH)2, thường được viết tắt là 'CH'. CH được hình thành chủ yếu từ thủy hóa khoáng alite. Alite có tỉ lệ Ca: Si là 3:1 và C-S-H có tỉ lệ Ca/Si khoảng 2:1, do đó vôi có sẵn quá nhiều để tạo ra CH.
- Pha AFm và AFt: đây là hai nhóm khoáng xuất hiện trong xi măng. Một trong những pha AFm phổ biến nhất trong xi măng thủy hóa là monosulfate và đến nay pha AFt phổ biến nhất là ettringite. Các định nghĩa chung của các pha này phần nào là kỹ thuật, nhưng ví dụ ettringite là một pha AFt bởi vì nó chứa ba phân tử (t-tri) anhydrite khi viết như C3A.3CaSO4.32H2O và monosulfate là một pha AFm bởi vì nó chứa một (m-mono) của anhydrite khi viết như C3A.CaSO4.12H2O.
- Các pha AFt và AFm phổ biến nhất trong xi măng thủy hóa là:
Ettringite: ettringite có mặt trong dạng tinh thể giống hình kim ở giai đoạn đầu của phản ứng hoặc đôi khi sự gia tăng khối lượng làm đầy các lỗ rỗng hoặc vết nứt trong
bê tông hoặc vữa lâu ngày. Công thức hóa học cho ettringite là [Ca3Al (OH)6.12 H2O] 2.2 H2O] hoặc, các ký hiệu khác, C3A.3CaSO4.32 H2O.
Monosulfate: monosulfate có khuynh hướng xảy ra trong các giai đoạn sau của thủy hóa, một hoặc hai ngày sau khi trộn. Công thức hóa học cho monosulfate là C3A.CaSO4.12H2O. Lưu ý rằng cả ettringite và monosulfate là hợp chất C3A, CaSO4 (anhydrite) và nước, với tỷ lệ khác nhau.
Monocacbonat: Sự có mặt của đá vôi mịn, dù là xi măng hay là đá vôi kết hợp, có thể sản xuất monocacbonate (C3A.CaCO3.11H2O) vì một số đá vôi phản ứng với dung dịch nước xi măng.
Một số điểm quan trọng cần lưu ý về các pha AFm và AFt là:
- Chúng chứa rất nhiều nước, đặc biệt là AFt - chủ yếu là ettringite trong hệ xi măng.
- AFm có tỉ lệ nhôm/canxi cao hơn so với AFt.
- Nhôm có thể được thay thế một phần bằng sắt trong cả hai pha AFm và AFt.
- Ion sulfate trong pha monosulfate AFm có thể được thay thế bằng các anion khác; thay thế một cho một nếu anion có điện tích 2- (ví dụ: cacbonat, CO22-) hoặc một cho hai nếu anion thay thế được điện tích 1- (ví dụ: hydroxyl, OH- hoặc clorua, Cl-).
- Sulfate trong ettringite có thể được thay thế bằng cacbonat hoặc, có thể một phần được thay thế bởi hai ion hydroxyl, mặc dù trên thực tế, không có trường hợp này được quan sát thấy.
Trong bê tông được chế tạo từ xi măng chỉ chứa clinker và thạch cao, ettringite hình thành sớm sau khi xi măng và nước được trộn lẫn, nhưng dần dần nó được thay bằng monosulfate. Điều này là do tỷ lệ nhôm sẵn có đối với sulfate tăng lên khi tiếp tục thủy hoá xi măng; khi lần tiếp xúc đầu tiên với nước, phần lớn sulfate có sẵn để hòa tan, nhưng phần lớn C3A chứa trong các hạt xi măng mà không có nước tiếp xúc ban đầu. Tiếp tục hydrat hóa dần dần giải phóng alumina-Al2O3 và tỷ lệ ettringite giảm khi monosulfate tăng.
Nếu có nhiều alumina hơn sulfate, tất cả sulfate sẽ là monosulfate, với alumina bổ sung có mặt dưới dạng AFm hydroxyl được thế (hydroxy-AFm). Nếu có một lượng sulfate nhỏ, hỗn hợp xi măng sẽ chứa một hỗn hợp monosulfate và ettringite. Với việc tăng sulfate sẵn có, sẽ có nhiều ettringite và ít monosulfate và ở mức độ cao hơn của sulfate sẽ có ettringite và thạch cao.
Nếu có đá vôi mịn, ion cacbonat (CO32-) trở nên có sẵn khi một số đá vôi phản ứng. Cacbonat thay sulfate hoặc hydroxyl trong AFm; tỷ lệ monosulfate hoặc hydroxy-AFm giảm do tỷ lệ monocacbonate tăng. Sulfate di chuyển thường kết hợp
với monosulfate còn lại để tạo ettringite, nhưng nếu có hydroxy-AFm, sulfate sẽ thải ra các ion hydroxyl (OH-) để tạo thành monosulfate hơn. Mấu chốt ở đây là một mặt cân bằng giữa alumina có sẵn, mặt khác là cacbonate và sulfate.
Hydrogarnet: hydrogarnet chủ yếu là kết quả của quá trình thủy hóa ferrite hoặc C3A. Hydrogarnets có một dải các thành phần, trong đó C3AH6 là pha phổ biến nhất hình thành từ quá trình thủy hoá xi măng thông thường và sau đó chỉ với một lượng nhỏ. Có thể tìm thấy nhiều loại hydrogarnet khác nhau trong các sản phẩm xi măng đã được chưng áp (autoclave).