58 B NG 3.6: CÁC NHÂN TẢ ỐẢNH HƯỞNG CỦA ĐẾN ĐỘ HOẠT TÍNH CỦA PHỤ GIA KHOÁNG THEO TỪNG PHƯƠNG PHÁP THÍ NGHIỆM ..... ớ Dựa trên độ ho t tính puzolanic, ph ạ ụ gia khoáng được phân thành ph
M c tiêu c ụ ủ a đ ề tài
Đề tài nhằm nghiên cứu ảnh hưởng của các phương pháp thí nghiệm đến đánh giá tính hoạt tính pozzolanic của ba phụ gia hoạt tính là silica fume (SF), Rice Husk Ash (RHA) và metakaolin (MK) Nghiên cứu so sánh giữa các phương pháp theo tiêu chuẩn Việt Nam, tiêu chuẩn ASTM C1240-15 và các phương pháp phi tiêu chuẩn, nhằm làm rõ ảnh hưởng của từng phương pháp lên đo lường cường độ và khả năng hoạt hóa pozzolanic của các phụ gia này, từ đó đề xuất khuyến nghị về lựa chọn phương pháp thí nghiệm tối ưu cho ứng dụng trong xây dựng.
Phương pháp nghiên cứu
- S dử ụng các phương pháp tiêu chuẩn để xác định ch s ho t tính c a ph gia ỉ ố ạ ủ ụ khoáng hoạt tính: TCVN 8827-2011, ASTM C1240-15
Bài viết trình bày cách sử dụng các phương pháp phi tiêu chuẩn để xác định hoạt tính pozzolanic của phụ gia khoáng theo ASTM C1240-15 và các tiêu chuẩn hiện hành của TCVN, nhằm tăng độ chính xác trong đánh giá khả năng phản ứng pozzolanic của khoáng bổ sung Đồng thời, bài toán còn áp dụng phương pháp DTA-TG để đánh giá khả năng phản ứng pozzolanic của các phụ gia khoáng ở các điều kiện dưỡng khác nhau, từ đó so sánh hiệu suất giữa các loại phụ gia và tối ưu hoá chế độ dưỡng để cải thiện chất lượng xi măng - khoáng.
4 N i dung nghiên cộ ứu của đề tài
- T ng quan v ph gia khoáng ho t tính và ph gia khoáng ho t tính cao s ổ ề ụ ạ ụ ạ ử dụng trong xi măng và bê tông
- T ng quan v ổ ề các phương pháp đánh giá độ hoạt tính của phụ gia khoáng
- Vật liệu s dử ụng và phương pháp nghiên cứu
- Ảnh hưởng của hàm lượng thay th ph gia hoế ụ ạt tính cho xi măng
- Ảnh hưởng c a phủ ương pháp điều ch nh tính công tác c a v a bỉ ủ ữ ằng nước hoặc phụ gia giảm nước.
- Ảnh hưởng của phương pháp dưỡng h m u ộ ẫ
- Ảnh hưởng c a ngày tuủ ổi thí nghiệm
- Ảnh hưởng của chế độ ạo hình, kích thước mẫ t u th , cát tiêu chuử ẩn.
5 Đối tƣ ng và ph m vi nghiên c u ợ ạ ứ
S d ng các ph gia khoáng hoử ụ ụ ạt tính cao nhƣ silica fume, tro trấu, Meta
Kaolin và xi măng PC40 để đánh giá ảnh hưởng c a các y u t thí nghiủ ế ố ệm đến chỉ ố s hoạt tính cường độ ủ c a các ph gia khoáng này ụ
CHƯƠNG 1 T: ỔNG QUAN V PH GIA KHOÁNG HO T TÍNH CAO Ề Ụ Ạ
TRONG BÊ TÔNG VÀ XI MĂNG 1.1 Giới thiệu về phụ gia khoáng ho t tính ạ
Phụ gia khoáng hữu tính là những phụ gia có nguồn gốc thiên nhiên hoặc được sản xuất nhân tạo, ban đầu không chứa chất hóa học hoặc có rất ít hoạt tính hóa học; khi được nghiền mịn và ở môi trường phù hợp, chúng có khả năng phản ứng hóa học với canxi hydroxide Ca(OH)2 và với nước ở nhiệt độ thường, tạo thành các sản phẩm có tính chất kết dính.
Phụ gia khoáng hoá tính có khả năng tăng cường độ và độ bền của hệ xi măng Portland trong môi trường nước Việc bổ sung các phụ gia khoáng hoá tính giúp cải thiện liên kết và cường độ chịu nén, đồng thời tăng khả năng kháng thấm và ổn định kích thước dưới tác động của nước và độ ẩm Nhờ tối ưu hóa thành phần và tỷ lệ phối trộn, các phụ gia này mang lại tuổi thọ cao hơn cho công trình, giảm nguy cơ nứt nẻ và ăn mòn, đồng thời tiết kiệm chi phí bảo trì Do đó, lựa chọn đúng phụ gia khoáng hoá tính và thiết kế công thức phù hợp là yếu tố then chốt để đạt hiệu suất và bền vững của xi măng Portland trong ứng dụng xây dựng.
Phụ gia khoáng ho t tính g m có hai lo i , 3] ạ ồ ạ [2 :
- Loại có ngu n g c t nhiên: trepan, dolomit, tro núi lồ ố ự ửa, đất sét nung t nhiên, ự v.v
- Loại có ngu n g c nhân t o: tro, x nhiồ ố ạ ỉ ệt điện, x lò cao hỉ ạt hóa, đất sét nung non, silicafume, tro tr u, Meta Kấ aolin v.v
1.1.1 Phụ gia khoáng hoạt tính nguồn gốc tự nhiên
Phụ gia khoáng ho t tính ngu n g c t nhiên bao g m ph gia ngu n g c núi ạ ồ ố ự ồ ụ ồ ố lửa và phụ gia ngu n gồ ốc trầm tích, đất sét nung t nhiên ự
Phụ gia có nguồn gốc từ núi lửa gồm tro núi lửa, pumice (đá bọt) và trass được hình thành từ quá trình phun trào và tích tụ của đám mây bụi magma, sau đó lắng đọng thành các khoáng vật rắn Tùy thuộc vào điều kiện hình thành và thành phần khoáng học mà các loại phụ gia này có đặc tính khác nhau, và được xem là vật liệu pozzolanic có thể liên kết với xi măng để cải thiện độ bền, khả năng chống thấm và tính chất của bê tông Tro núi lửa là một vật liệu xốp với cấu trúc porous và phân bố kích thước hạt đa dạng, phù hợp cho các ứng dụng trong sản xuất xi măng và bê tông.
Khi tro núi l a b lèn ch t trong m t th i gian d i b i các lử ị ặ ộ ờ ả ở ớp đất đá phía trên sẽ chuy n sang d ng ể ạ đá xốp thì đƣợc g i là túp núi l a Khi túp núi l a b lèn ch t và ọ ử ử ị ặ bi n chế ất tạo thành trass Đá bọt núi l a hình thành khi các m ng mác ma b bử ả ị ắn lên không trung và đƣợc làm nguội nhanh trong không khí
Thành ph n khoáng ch y u c a các ph gia ngu n g c núi l a là pha ầ ủ ế ủ ụ ồ ố ử thủy tinh alumo silicat, trong đó hàm lƣợng SiO 2 = 45÷70%; Al 2 O 3 = 10÷20%; oxit ki m th ề ổ t 2÷6%; oxit ki m t 3÷8% ừ ề ừ
Phụ gia ngu n g c k t t a bao gồ ố ế ủ ồm điatomit, trepan Điatomit đƣợc hình thành t xác c a m t lo i t o ch a nhiừ ủ ộ ạ ả ứ ều oxit silic Điatomit là một lo i v t li u x p, nh ạ ậ ệ ố ẹ chứa ch y u là SiOủ ế 2 (đến 94%) và m t s h p chộ ố ợ ất khác nhƣ cacbonat, khoáng sét Khi điatomit bị bi n ch t thì t o thành trepan, oxit silic trong hai lo i ph gia này ế ấ ạ ạ ụ đề ở ạng vô địu d nh hình Đất sét nung t nhiên là loự ại đất sét hình thành t i các m than có x y ra các ạ ỏ ả đám cháy ngầm Loại đất sét này có ch a eta ứ M Kaolin Al 2 O 3 2SiO 2 là thành phần có khả năng kết hợp với Ca(OH) 2 nhiở ệ ột đ thường
1.1.2 Phụ gia khoáng hoạt tính nguồn gốc nhân tạo
Phụ gia khoáng hữu tính là một nhóm phụ gia công nghiệp được sử dụng phổ biến để cải thiện đặc tính và hiệu quả sản xuất Trong hệ thống hiện nay, hai loại phụ gia được dùng nhiều nhất là tro và xỉ từ nhà máy nhiệt điện và xỉ lò cao từ các nhà máy gang thép, được nghiền mịn và xử lý để tăng khả năng khử ô nhiễm và tối ưu chất lượng sản phẩm cuối cùng.
Tro bay và xỉ là hai sản phẩm phụ từ các nhà máy nhiệt điện đốt than Tro bay là bụi siêu mịn được thu giữ bởi các thiết bị làm sạch khí thải như lọc bụi tĩnh điện hoặc lọc túi để làm sạch khí thải thoát ra từ buồng đốt; nó có kích thước hạt rất nhỏ, độ mịn tương tự xi măng Xỉ là phần tro có kích thước hạt lớn hơn, thường lớn hơn 0,3 mm, và rơi xuống đáy buồng đốt Thành phần khoáng chủ yếu của tro xỉ là pha thủy tinh, ngoài ra còn chứa than chưa cháy và một lượng nhỏ các pha tinh thể [16,17].
X lò cao là quá trình luyện gang diễn ra trong lò cao Để luyện gang, người ta sử dụng các nguyên liệu như quặng sắt, than cốc và các chất trợ nung như đá vôi và đá dolomit Trong quặng sắt, thành phần chính là các oxit sắt, ngoài ra còn có các hợp chất oxit khác như oxit silic và oxit nhôm Khi được nung ở nhiệt độ cao, oxit sắt được khử bằng cacbon thành kim loại sắt, tạo ra sản phẩm gang Phần chất lỏng nằm trên bề mặt gang được gọi là xỉ Trong quá trình luyện gang, xỉ được tháo ra liên tục khỏi lò và được làm nguội Nếu xỉ được làm nguội nhanh trong nước, quá trình này được gọi là xỉ lò cao hóa.
Việc phân tích được thực hiện để phân biệt xỉ lò cao hóa với các sản phẩm khác, cho thấy nó hình thành trong điều kiện khí quyển đặc thù và có cả các cấu trúc khoáng đặc trưng lẫn các pha không có hoạt tính Thành phần khoáng chủ yếu của xỉ lò cao hóa là pha silicat, chiếm trên 95% tổng lượng khoáng chất, cho thấy đặc trưng cấu trúc và tính chất vật lý của hệ vật liệu này Các nghiên cứu tham khảo [16, 17] và [6] ghi nhận các đặc điểm về pha khoáng và tính chất của xỉ, từ đó gợi ý tiềm năng ứng dụng và tái chế của xỉ lò cao hóa trong các lĩnh vực xây dựng và luyện kim.
Một loại phụ gia khoáng có tính chất nhân tạo là đất sét được nung ở nhiệt độ 600–800°C Loại phụ gia này khác với đất sét nung tự nhiên ở chỗ có thể lựa chọn và kiểm soát được nhiệt độ nung, và điều này quan trọng vì nó cho phép điều chỉnh quá trình nung theo mục đích sử dụng Do đó đất sét nung nhân tạo thường có hoạt tính cao hơn đất sét nung tự nhiên [17].
Ngoài ra còn có một số loại phụ gia khoáng vô cơ có nguồn gốc tự nhiên được sử dụng phổ biến như silica fume, tro trấu và metakaolin Silica fume là phế phẩm thu được từ quá trình sản xuất silic hoặc hợp kim chứa silic Tro trấu là sản phẩm phụ từ quá trình đốt tro trấu, chứa hàm lượng oxit silic ở dạng vô định hình với tỷ lệ > 85% Metakaolin là phụ gia khoáng được nung từ cao lanh ở nhiệt độ thích hợp; thành phần chính của metakaolin là Al2O3·2SiO2 [17].
1.2.B n ch t ho t tính c a ph gia khoáng ả ấ ạ ủ ụ
Dựa vào cơ chế liên k t v i Ca(OH)ế ớ 2 , có th phân các ph gia khoáng hoể ụ ạt tính thành hai nhóm là phụ gia nhóm puzolan và ph gia nhóm x : ụ ỉ
(Al 2 O 3 ) ho c SiOặ 2 Al 2 O 3 + Ca(OH) 2 + H 2 O = CSH + CAH (CASH)
Phụ gia puzolan bao g m các lo i ph gia khoáng ngu n g c thiên nhiên hay ồ ạ ụ ồ ố nhân t o, lạ ại đƣợc chia thành 3 nhóm:
Nhóm 1 gồm các phụ gia khoáng có độ hoạt tính được xác định bởi sự hiện diện của SiO2 vô định hình Các phụ gia khoáng thuộc nhóm này gồm điatômít, trêpen, silicafume và tro trấu Do phản ứng giữa Ca(OH)2 và SiO2, hoạt tính được hình thành và tạo ra các hydrat canxi silicat (CSH) thuộc nhóm (B) có kích thước nhỏ ở dạng gel.
SiO 2 + Ca(OH) 2 + H 2 O → xCaO.ySiO 2 zH 2 O
Nhóm 2 gồm các phụ gia khoáng có độ hoạt tính được xác định bởi sự có mặt đồng thời của SiO2, Al2O3 và metakaolinite Al2O3·2SiO2 Các thành phần hoạt tính của phụ gia khoáng tham gia phản ứng với Ca(OH)2 để hình thành các sản phẩm ở dạng hydrosilicat canxi và hydrat gehlenit 2CaO.Al2O3.SiO2.8H2O (C2ASH8) Nhóm này bao gồm các phụ gia khoáng như đất sét nung và metakaolin, cùng với một số khoáng vật có hoạt tính khác.
Nhóm 3 gồm các phụ gia có nguồn gốc núi lửa như tuf và đá bọt, có hoạt tính phụ thuộc vào dạng thủy tinh hydrat và thủy tinh không hydrat trong thành phần phụ gia; các nghiên cứu chỉ ra rằng độ hoạt tính của phụ gia liên quan đến lượng nước liên kết của pha thủy tinh ở dạng nhóm OH-, và mức độ hoạt tính còn phụ thuộc vào nồng độ Ca(OH)2 có trong hỗn hợp, khi sản phẩm hình thành có thể là khoáng hydroaluminat canxi hoặc hydro ghelenhit, với các dạng như C4AHx và C2ASH8.
Quá trình phản ứng puzơlanic có thể đƣợc biểu diễn nhƣ sau:
Xi măng + nước = CSH + Ca(OH) 2