Đặt vấn đề Cường độ là một trong những tính chất quan trọng của xi măng. Cường độ của đá xi măng bị ảnh hưởng bởi nhiều yếu tố khác nhau, tuy nhiên lại phụ thuộc chính vào khả năng thủy hóa của bản thân xi măng đó. Để có thể cải thiện cường độ của đá xi măng, tác động vào khả năng thủy hóa của xi măng là yếu tố quan trọng. Đã có nhiều loại phụ gia được nghiên cứu thêm vào xi măng trong đó phụ gia gốc alkanolamine được đề cập đến với khả năng cải thiện quá trình thủy hóa của xi măng.
TEA là một phụ gia gốc alkanolamine được đưa vào nghiên cứu phổ biến, là một phụ gia có ảnh hưởng nhạy cảm về liều lượng. Điều này có thể do sự khác nhau về độ tinh khiết của phụ gia, loại xi măng, điều kiện môi trường, … Do đó, việc sử dụng TEA vẫn dựa trên kiến thức thực nghiệm. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu Đối tượng của đề tài là sự ảnh hưởng của phụ gia TEA tới cường độ của đá xi măng Phạm vi nghiên cứu: So sánh cường độ của đá xi măng có TEA theo hàm lượng (0, 1, 2, 3, 4, 5 phần vạn) và theo thời gian (1, 3, 7 ngày tuổi). So sánh khối lượng mất khi sấy/nung của các mẫu đá xi măng.
Mục tiêu của đề tài Khảo sát sự ảnh hưởng của TEA tới cường độ của đá xi măng. TỔNG QUAN LÝ THUYẾT 1.1 Tổng quan về xi măng 1.1 Khái niệm Xi măng: Là chất kết dính thủy ở dạng bột mịn, khi trộn với nước thành dạng hồ dẻo có khả năng đóng rắn trong không khí và nước nhờ phản ứng hóa lý, thành vật liệu dạng đá [1]. Clanhke xi măng pooc lăng: Là clanhke xi măng có chứa chủ yếu các khoáng calci silicat, calci aluminat và calci fero aluminat với tỷ lệ xác định [1]. Xi măng pooc lăng: Là xi măng được nghiền mịn từ clanhke xi măng pooc lăng với lượng thạch cao cần thiết.
Có thể sử dụng phụ gia công nghệ nhưng không quá 1% so với khối lượng clanhke [1]. Thạch cao: Là vật liệu đá thiên nhiên hoặc nhân tạo có chứa khoáng CaSO4.H2O được sử dụng làm phụ gia điều chỉnh thời gian đông kết của hồ xi măng cũng như làm tăng cường độ của đá xi măng. Thạch cao nhân tạo được sử dụng trong sản xuất xi măng là thạch cao PG (Phospho Gyps) thải từ quá trình sản xuất phân bón hóa chất và thạch cao FGD (Flue Gas Desulfurization) thu hồi từ quá trình đốt than trong các nhà máy nhiệt điện. Thạch cao dùng để sản xuất xi măng có chất lượng theo TCXD 168:1989.
Khoáng clanhke: Khoáng tổng hợp chiếm thành phần chính trong clanhke, được hình thành trong quá tình nung clanhke [1]. Pha clanhke: Các hợp phần tạo thành clanhke ở dạng dung dịch rắn trên cơ sở các khoáng clanhke, pha thủy tinh và các oxit riêng biệt [1]. Ngày nay, có rất nhiều loại phụ gia được sử dụng trong công nghệ sản xuất xi măng, nhưng chủ yếu là các nhóm phụ gia sau [2]: Phụ gia công nghệ: Là phụ gia được đưa vào trong quá trình nghiền xi măng để cải thiện quá trình công nghệ, tính chất của xi măng (chất trợ nghiền, kỵ ẩm, …). 2 Phụ gia kỹ ẩm: Là phụ gia công nghệ được đưa vào trong quá trình nghiền xi măng tạo thành màng bao quanh hạt xi măng, làm giảm tính hút ẩm của xi măng, nhờ đó kéo dài thời gian bảo quản xi măng.
Phụ gia trợ nghiền: Là phụ gia công nghệ được đưa vào trong quá trình nghiền nhằm cải thiện quá trình nghiền xi măng. Phụ gia khoáng hóa: Là hợp chất có trong tự nhiên hoặc nhân tạo được đưa vào phối liệu để thúc đẩy sự hình thành các khoáng của clanhke trong quá trình nung luyện. Phụ gia khoáng: Là vật liệu vô cơ thiên nhiên hoặc nhân tạo pha vào xi măng ở dạng nghiền mịn để đạt được chỉ tiêu chất lượng yêu cầu và không gây ảnh hưởng xấu đến tính chất của xi măng, bê tông và cốt thép. Phụ gia khoáng được chia làm 2 loại: phụ gia đầy và phụ gia khoáng hoạt tính.
Phụ gia đầy: Là phụ gia khoáng pha vào xi măng ở dạng nghiền mịn, chủ yếu để cải thiện thành phần cỡ hạt và cấu trúc đá xi măng. Phụ gia khoáng hoạt tính: Là phụ gia khoáng được đưa vào xi măng ở dạng nghiền mịn có tính chất thủy lực hoặc puzolan. Trên cơ sở clanhke XMP, người ta sản xuất ra xi măng pooclăng hỗn hợp (PCB) – là chất kết dính thủy, được sản xuất bằng cách nghiền mịn hỗn hợp clanhke xi măng Pooclăng với một lượng thạch cao cần thiết và các phụ gia khoáng, có thể sử dụng phụ gia công nghệ (nếu cần) trong quá trình nghiền. Hàm lượng phụ gia công nghệ trong xi măng không lớn hơn 1%; tổng lượng các phụ gia khoáng (không kể thạch cao) trong xi măng pooclăng hỗn hợp, tính theo khối lượng xi măng, không lớn hơn 40%, trong đó phụ gia đầy không quá 20% [2].2 Phân loại xi măng Xi măng có thể được phân loại theo các cách sau: Theo cường độ nén: Xi măng mác cao: từ 50 Mpa trở lên, xi măng mác trung bình: từ 30 đến 50 Mpa, xi măng mác thấp: nhỏ hơn 30 Mpa.
Theo thành phần xi măng: Xi măng Pooc lăng (PC), xi măng Pooc lăng hỗn hợp (PCB), xi măng Pooc lăng đá vôi (PCB LS): chỉ sử dụng phụ 3 gia khoáng là đá vôi, xi măng Pooc lăng puzolan (PCB PZ): chỉ sử dụng phụ gia khoáng là phụ gia hoạt tính puzolan, xi măng Pooc lăng tro bay (PCBFA): chỉ sử dụng phụ gia khoáng là tro bay, xi măng Pooc lăng xỉ lò cao (PCBBFS): chỉ sử dụng phụ gia khoáng là xỉ lò cao, … Theo tính chất đặc biệt: Xi măng bền sunfat, xi măng ít tỏa nhiệt, xi măng đóng rắn nhanh, xi măng alumin, xi măng ít tỏa nhiệt, xi măng xây trát, … 1.3 Thành phần khoáng của clanhke xi măng Pooclăng Clanhke xi măng PC có cấu trúc phức tạp, có các khoáng ở dạng tinh thể và các hợp chất trung gian ở dạng dung dịch rắn và các pha vô định hình. Chất lượng clanhke phụ thuộc rất nhiều vào thành phần hóa học, thành phần khoáng và công nghệ sản xuất. Thành phần hoá học của clanhke, biểu thị bằng hàm lượng % các oxit có trong clanhke, thường dao động trong giới hạn sau: Bảng 1.1: Thành phần hóa học của clanhke xi măng Pooc lăng P2O5 tùy nguyên CaO = 63 – 67% Fe2O3 = 2,5 – 4% liệu có thể có SiO2 = 21 – 24% MgO < 5% R2O < 1,5 % Al2O3 = 4- 7% TiO2 < 0,3% Clanhke xi măng Pooc lăng không phải là một sản phẩm đồng nhất mà nó là tập hợp của nhiều khoáng khác nhau [3]. Các oxit chính trong clanhke trong quá trình nung đến khoảng nhiệt độ 1450 oC sẽ phản ứng với nhau tạo thành bốn khoáng chính ở dạng cấu trúc tinh thể dung dịch rắn hoặc vô định hình là: C 3S (Alit), C2S (Belit), C3A (aluminat) và C4AF (ferit).
Hàm lượng các khoáng trong clanhke xi măng Pooc lăng theo phần trăm khối lượng thường nằm trong giới hạn sau: C3S = 45 -70 % C2S = 15 - 30% C3A = 5 - 10 % 4 C4AF = 5 - 15 % 1. Quá trình thủy hóa Alit C3S (3CaO.SiO2): C3S là một khoáng chiếm hàm lượng cao nhất trong clanhke (45-70 % theo khối lượng), được tạo thành bởi phản ứng thiêu kết có mặt pha lỏng giữa khoáng C2S và CaO ở khoảng nhiệt độ 1250-1450oC: C + C2S -> C3S Hòa tan Hòa tan Kết tinh Khoáng C3S có nhiều dạng tồn tại khác nhau khi nhiệt độ thay đổi: Là một khoáng khó nóng chảy, C3S tồn tại ở dạng cấu trúc tinh thể, chủ yếu là dạng đơn tà. Tinh thể C3S có dạng hình lăng trụ tam giác (hoặc giả lục giác) với kích thước 10 – 25 µm (có thể thô hơn, lên tới 50 – 60 µm tùy vào chế độ nung). C3S tinh khiết kém bền ở nhiệt độ thường, dễ bị phân hủy thành C2S và CaO tự do, vì vậy C3S trong clanhke tồn tại ở dạng dung dịch rắn.
Trong clanhke xi măng Pooc lăng công nghiệp, ngoài CaO và SiO2, C3S còn chứa một lượng nhỏ (khoảng 3-4%) các nguyên tố ngoại lai (Al, Fe, Mg, Cr, Ti, S, P, Ba, Mn, Na, K có trong nguyên liệu) nằm xen kẽ trong mạng lưới tinh thể. Việc C3S tồn tại ở dạng dung dịch rắn sẽ giúp cho nó bền hơn C3S tinh khiết ở nhiệt độ thường, và nó được gọi là khoáng alit. Tính chất của C3S trong xi măng: Đóng rắn nhanh (nhưng chậm hơn C3S). Tỏa nhiều nhiệt khi đóng rắn.
Không bền trong môi trường sunfat. Tạo cường độ tuổi sớm và cường độ tuổi muộn cho xi măng. Thủy hóa [4]: Khi tiếp xúc với nước, các hạt C3S ngay lập tức tham gia vào sự tương tác với nước và phản ứng rất mạnh. Thành phần cuối cùng của các sản phẩm phản ứng theo số liệu của các nhà nghiên cứu khác nhau như sau: 5 2(3CaO.2 H2O + Ca(OH)2 + ∆H Sản phẩm ban đầu của quá trình hydrat hóa C 3S là pha hydro silicat canxi có dạng C3SHx.
Sau khoảng 2 – 6 h thì C 3SHx chuyển thành hydro silicat canxi thứ sinh có độ bazơ nhỏ, hình thể sợi dài, mảnh C 2SH2. Sau đó nếu nồng độ vôi giảm thì các hydro silicat canxi thứ sinh lại tiếp tục phân hủy thành hydro silicat canxi có độ bazơ nhỏ hơn là CSH(B): 3 CaO. SiO2 + xH2O → 3CaO.x H2O → C2SH2 + Ca(OH)2 C2SH2 + H2O → CSH(B) + Ca(OH)2 Thông thường, các hydro silicat canxi ổn định tạo thành có tỷ lệ mol C/S = 1. Quá trình thủy hóa Belit C2S (2CaO.SiO2): C2S là một khoáng chiếm xấp xỉ 15-30 % khối lượng clanhke, được tạo thành bởi phản ứng pha rắn ở khoảng nhiệt độ 850-900oC như sau: C + S → CS C + 2CS → C3S2 C + C3S2 → 2C2S Các dạng thù hình của C2S: Là một khoáng khó nóng chảy (hơn cả C3S), tồn tại ở 4 dạng thù hình: α, α’, β và γ.
Khoáng C 2S thường tồn tại ở dạng thù hình α khi ở trong lò, còn ở dạng β hoặc γ trong clanhke sau khi làm nguội. Hình dạng tinh thể của khoáng C2S có dạng tròn với kích thước 25-40 µm (tùy thuộc vào việc làm nguội nhanh hay chậm clanhke). β là dạng thù hình được mong muốn hơn γ vì β có khả năng kết dính khi trộn với nước ở điều kiện thường (γC2S trơ về mặt hóa học, dạng α’ cho cường độ rất kém, dạng α không thủy hóa.