nghiên cứu một số tính chất của xi măng nhiều cấu tử, có khối lượng riêng lớn để chế tạo bê tông siêu nặng

Mục tiêu và phạm vi nghiên cứu của đề tài Xuất phát từ yêu cầu trên, chúng em xác định mục tiêu nghiên cứu của đề tài là: “Nghiên cứu chế tạo xi măng nhiều cấu tử có khối lợng riêng lớn

Lời cảm ơn

Chúng em xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc tới thầy giáo, TS Bùi Danh

Đại, thầy giáo, ThS Văn Viết Thiên Ân Trong suốt thời gian thực tập tốt nghiệp, chúng em luôn nhận đợc sự động viên, giúp đỡ của các thầy Với vốn kiến thức và kinh nghiệm hớng dẫn sinh viên thực hiện các đề tài nghiên cứu khoa học, các thầy đã giúp chúng em có đợc những kiến thức và kinh nghiệm ban đầu trong công tác nghiên cứu khoa học, thực hiện đề tài đợc giao Chúng em rất mong muốn tiếp tục nhận đợc sự giúp đỡ của các thầy trong thời gian tới.

Chúng em xin bày tỏ lòng biết ơn chân thành tới các thầy cô trong Bộ môn Công nghệ Vật liệu Xây dựng, các thầy cô trong Phòng nghiên cứu và thí nghiệm Vật liệu Xây dựng đã tạo điều kiện thuận lợi và tận tình giúp đỡ chúng em hoàn thành đồ án này

Chúng tôi xin chân thành cảm ơn các bạn sinh viên lớp 45VL1, 45VL2 khoa Vật liệu Xây dựng, Trờng Đại học Xây dựng –Hà Nội vì sự cộng tác và giúp đỡ của các bạn.

Hà Nội, ngày 22 tháng 1 năm 2005

Sinh viên thực hiện

Phần mở đầu

Đặt vấn đề

Cùng với sự phát triển của xã hội, nhu cầu về xây dựng và nâng cao chất lợng xây dựng không ngừng tăng lên Thực tế này đòi hỏi ngành sản xuất vật liệu xây dựng không những phải cung cấp đầy đủ các chủng loại vật liệu xây dựng thông dụng, mà còn cần phải cung cấp đủ các chủng loại vật liệu xây dựng mới, có tính năng đặc biệt, cho phép nâng cao chất lợng công trình,

đồng thời hạ giá thành xây dựng Trong đó, bê tông siêu nặng, một trong những chủng loại vật liệu xây dựng mới, đợc sử dụng trong các công trình yêu cầu khả năng chống mài mòn và xúi lở, các công trình yêu cầu khả năng chống phóng xạ cũng xuất hiện nhu cầu sử dụng to lớn

Bê tông siêu nặng là loại bê tông có khối lợng thể tích lớn hơn 2500 kg/m3 Nh các loại bê tông thông dụng khác, bê tông siêu nặng là loại vật liệu hỗn hợp đợc tạo thành từ các thành phần chính là: cốt liệu, chất kết dính và n-

ớc Vì thế, khi muốn tăng khối lợng thể tích của bê tông, ta có thể tăng khối ợng thể tích của các thành phần cấu tạo nên nó hay tối u hoá cấu trúc của nó

l-Cụ thể, ta có thể tăng khối lợng thể tích của bê tông bằng cách:

- Sử dụng cốt liệu có khối lợng riêng lớn

- Sử dụng chất kết dính có khối lợng riêng lớn

- Tăng độ đặc chắc của bê tông

Trong bê tông, cốt liệu là thành phần chính, nó chiếm tỷ trọng lớn nhất, nên sử dụng cốt liệu có khối lợng riêng lớn trong bê tông là hớng mang lại hiệu quả làm tăng khối lợng thể tích của bê tông cao nhất Còn xi măng chiếm tỷ trọng ít hơn nên hớng sử dụng chất kết dính có khối lợng riêng lớn

để chế tạo bê tông siêu nặng mang lại hiệu quả thấp hơn khi dùng với các loại cốt liệu thông thờng Nhng khi kết hợp hớng sử dụng xi măng có khối lợng riêng lớn với hớng sử dụng cốt liệu có khối lợng riêng lớn để chế tạo bê tông siêu nặng thì hiệu quả tăng khối lợng thể tích cho bê tông cao hơn Cho nên,

để tận dụng hết khả năng tăng khối lợng thể tích của bê tông ta cần sử dụng kết hợp hai phơng pháp trên Vì vậy, nghiên cứu sản xuất chất kết dính có khối lợng riêng lớn trên cơ sở các loại vật liệu có sẵn ở nớc ta để chế tạo bê

tông siêu nặng là cần thiết Nên, chúng em dới sự hớng dẫn của GVC.T.S Bùi Danh Đại và Th.S Văn Viết Thiên Ân đã mạnh dạn tham gia nghiên cứu theo hớng này, với đề tài:

“Nghiên cứu một số tính chất của xi măng nhiều cấu tử, có khối

l-ợng riêng lớn để chế tạo bê tông siêu nặng”

Mục tiêu và phạm vi nghiên cứu của đề tài

Xuất phát từ yêu cầu trên, chúng em xác định mục tiêu nghiên cứu của

đề tài là:

“Nghiên cứu chế tạo xi măng nhiều cấu tử có khối lợng riêng lớn từ

các loại vật liệu hiện có ở Việt Nam để chế tạo bê tông siêu nặng ”

Do thời gian có hạn, nên đề tài nghiên cứu của chúng em đợc giới hạn

- Phân tích và lựa chọn vật liệu sử dụng trong các thí nghiệm

- Nghiên cứu ảnh hởng của phụ gia siêu dẻo và phụ gia trơ đến các tính chất của xi măng nhiều cấu tử có khối lợng riêng lớn

- Nghiên cứu thành phần hợp lý của xi măng nhiều cấu tử có khối ợng riêng lớn

l Thiết kế cấp phối và khảo sát một số tính chất của bê tông siêu nặng ứng dụng xi măng nhiều cấu tử có khối lợng riêng lớn

Luận văn bao gồm 3 phần, 4 chơng, tài liệu tham khảo và đợc trình bày trên gần 90 trang A4

PhÇn i: nh÷ng c¬ së lý thuyÕt

chơng i: GIới thiệu bê tông siêu nặng

Bê tông là loại vật liệu đợc sử dụng chủ yếu trong các công trình xây dựng Nhng thực tế cho thấy, tại các công trình làm việc trong điều kiện có dòng chảy lớn nh: các đờng hầm dẫn nớc, các đập thuỷ điện đến 70% các công trình này bị phá hoại bởi các yếu tố bào mòn và xói mòn [17] Vậy,

không thể sử dụng bê tông thờng cho các công trình nói trên

Tuy nhiên, so với các loại vật liệu khác, bê tông có u điểm là có thể thay đổi các tính chất kỹ thuật cũng nh các tính chất vật lý nhờ thay đổi thành phần và phơng pháp thi công Giải pháp đặt ra cho chúng ta là cần nghiên cứu một loại bê tông có khối lợng thể tích lớn, cờng độ cao và tính bền tốt Một số nghiên cứu [6,7,8,18] đã cho thấy chính loại bê tông nói trên lại có khả năng

cản xạ, bảo vệ sinh học

1.1 Khái niệm cơ bản về bê tông siêu nặng

Bê tông là loại vật liệu đá nhân tạo Tuỳ theo thành phần và mục đích

sử dụng, bê tông có thể có khối lợng thể tích khác nhau, thay đổi từ 500 ữ

>4000 kg/m3 Theo khối lợng thể tích, bê tông đợc phân làm ba loại nh sau:

chất của bê tông nh: giảm lợng dùng nớc, tăng tính lu động của hỗn hợp bê tông, điều chỉnh thời gian đông kết và rắn chắc của bê tông, nâng cao tính chống thấm và cờng độ của bê tông

1.2.1 Cốt liệu sử dụng trong bê tông siêu nặng

Theo nghiên cứu [20], cốt liệu chiếm 60-80% thể tích bê tông Do đó,

để nâng cao khối lợng thể tích của bê tông cần sử dụng các loại cốt liệu có khối lợng riêng lớn nh: Barit, crommit, quặng sắt, Inmenit, sắt vụn, bi thép…

Các loại vật liệu sử dụng phổ biến nhất là:

Đến nay ở Việt Nam đã điều tra, đánh giá và thăm dò gần 40 tụ khoáng và điểm quặng Barit Nhìn chung, các tụ khoáng đều đợc đánh giá có chất lợng khá cao với hàm lợng trung bình BaSO4 từ 50ữ80%

b) Quặng Inmenit

Inmenit đợc sử dụng trong bê tông ở dạng cốt liệu nhỏ Inmenit là loại

sa khoáng có cỡ hạt nhỏ nh hạt cát Nó có thành phần chủ yếu là FeTiO3 ở dạng nguyên chất, Inmenit có khối lợng riêng là 4,72 g/cm3 Inmenit có màu

đen, có ánh kim, có thể có từ tính hoặc không có từ tính Quặng Inmenit thờng lẫn quặng Magnhetit Fe3O4 hoặc Hematit Fe2O3

Inmenit phân bố cả trong lục địa và ven biển Trong đó, sa khoáng ven biển là nguồn cung cấp Inmenit chủ yếu Cho đến nay, dọc ven biển Việt Nam

đã phát hiện đợc nhiều mỏ sa khoáng phân bố từ cực Đông Bắc Bắc Bộ đến Nam Việt Nam, tại vị trí sát bờ biển hoặc ven các đảo, trong các bãi cát hoặc cồn cát Tuy nhiên, các tụ khoáng có giá trị công nghiệp tập trung chủ yếu ở Trung Bộ từ Thanh Hoá đến Bình Thuận

c) Quặng Magnhetit

Quặng Magnhetit đợc sử dụng trong bê tông ở dạng cốt liệu nhỏ và cốt liệu lớn Quặng Magnhetit đợc cấu thành chủ yếu từ khoáng Fe3O4 với các tạp chất MgO, Cr2O3, Al2O3 Tỷ trọng của Magnhetit là 4,9ữ5,2 g/cm3, độ cứng theo thang Mohr từ 5ữ6 Tỷ trọng của bê tông Magnhetit từ 3,2ữ4,1 (g/cm3) Cờng độ nén khoảng 20ữ45Mpa, cờng độ uốn từ 4ữ8Mpa

d) Quặng Gecmatit

Quặng Gecmatit đợc sử dụng trong bê tông ở dạng cốt liệu nhỏ và cốt liệu lớn Quặng Gecmatit đợc cấu thành chủ yếu từ Fe2O3, các tạp chất có MgO, Al2O3, SiO2 Tỷ trọng của Gecmatit khoảng: 5… ữ5,3 g/cm3, độ cứng theo thang Mohr từ 5ữ6 Tỷ trọng của bê tông Gecmatit khoảng 3,3ữ3,9 (g/cm3), cờng độ mẫu lập phơng 14ữ16 Mpa Trong thực tế thờng sử dụng bê tông cốt liệu hỗn hợp (cát thông dụng, đá từ quặng Magnhetit hoặc Gecmatit)

e) Cốt liệu gang, sắt, thép

Có thể chế tạo đợc bê tông siêu nặng từ cốt liệu gang, sắt, thép Thông dụng có hai loại cốt liệu từ gang, sắt hoặc bi thép do các nhà máy chế tạo hoặc phế thải công nghiệp chế tạo máy Các công cụ khác nhau từ gang, sắt và thép

đợc nghiền đến kích thớc yêu cầu Khi sử dụng bi thép, có thể chế tạo đợc bê tông có khối lợng thể tích đến 6,2 (g/cm3) Thông thờng, khối lợng thể tích của bê tông ở trạng thái sử dụng khoảng: 5,76 g/cm3

1.2.2 Chất kết dính sử dụng trong bê tông siêu nặng

Chất kết dính tuy chiếm một phần nhỏ trong bê tông nhng đợc xem là thành phần quan trọng nhất vì chất kết dính đóng vai trò liên kết cốt liệu trong

bê tông, và tính chất của nó quyết định đến nhiều tính chất của bê tông

Chất kết dính sử dụng trong bê tông siêu nặng có thể là chất kết dính vô cơ hoặc chất kết dính hữu cơ Chất kết dính hữu cơ thờng dùng là bitum guđrông để chế tạo bê tông atphan, hoặc chất dẻo (polime) để chế tạo bê tông polime Tuy nhiên, chất kết dính vô cơ vẫn đợc sử dụng nhiều hơn cả với các dạng nh xi măng Poóclăng, xi măng Poóclăng xỉ, xi măng cao nhôm, xi măng siêu dẻo hoá, các loại xi măng nhiều cấu tử khác

1.2.3 Phụ gia sử dụng trong bê tông siêu nặng

Có hai loại phụ gia đợc sử dụng trong bê tông siêu nặng là phụ gia khoáng và phụ gia hoá học

Phụ gia khoáng sử dụng trong bê tông siêu nặng gồm phụ gia khoáng

hoạt tính và phụ gia khoáng trơ (phụ gia điền đầy)

Phụ gia khoáng hoạt tính là loại phụ gia có thể kết hợp với Ca(OH)2 sinh ra do xi măng thuỷ hoá với nớc ở nhiệt độ thờng thông qua phản ứng puzơlanic tạo nên các khoáng hyđrôsilicát canxi làm tăng khả năng chịu lực

và độ bền nớc cho sản phẩm Phụ gia khoáng hoạt tính bao gồm 2 loại Loại

có nguồn gốc tự nhiên thờng gọi là puzơlan bao gồm: bọt núi lửa, tro núi lửa, các khoáng trầm tích nh: trêpen, điatômít, đá phiến silíc v.v Loại có nguồn gốc nhân tạo nh tro bay của các nhà máy nhiệt điện, xỉ lò cao ở các nhà máy gang thép, muội ôxyt silic, meta caolanh, tro trấu v.v

Trong bê tông, phụ gia khoáng hoạt tính đợc sử dụng với mục đích:

- Cải thiện cấu trúc của đá xi măng và bê tông nhờ phản ứng puzơlanic và hiệu ứng điền đầy khoảng trống Do giảm lợng Ca(OH)2 và tăng độ đặc chắc nên độ bền chống xâm thực của bê tông tăng lên

- Khi thay thế một phần xi măng, phụ gia khoáng hoạt tính làm giảm lợng nhiệt thuỷ hoá của bê tông, nên rất có lợi trong bê tông khối lớn.

- Mặt khác, nếu các loại phụ gia này có nguồn gốc từ các thải phẩm công nghiệp, nông nghiệp với tính dễ sử dụng, khả năng chế tạo đơn giản sẽ cho hiệu quả kinh tế cao và giảm khả năng ô nhiễm môi tr-ờng

Phụ gia khoáng trơ là các loại phụ gia khoáng không có khả năng kết hợp với các sản phẩm thủy hoá của xi măng tạo nên các khoáng có khả năng kết dính Phụ gia khoáng trơ đợc đa vào trong hỗn hợp bê tông siêu nặng nhằm tăng hàm lợng hạt mịn, tối u hoá thành phần hạt, giảm lợng dùng xi măng và làm tăng khối lợng thể tích cho bê tông

Phụ gia hoá học bao gồm phụ gia tăng dẻo, phụ gia đóng rắn nhanh,

phụ gia chống thấm, phụ gia cuốn khí, đợc sử dụng rất rộng rãi trong công nghệ bê tông Trong đó, phụ gia tăng dẻo là loại phụ gia phổ biến nhất, đợc sử dụng với khối lợng rất lớn Loại phụ gia này có thể phối hợp với các loại phụ gia khác nh phụ gia đóng rắn nhanh, phụ gia cuốn khí, để tăng hiệu quả sử dụng Loại phụ này có hoạt tính bề mặt cao Khi chất kết dính thuỷ hoá, chúng

sẽ tạo thành một màng mỏng trên bề mặt hạt chất kết dính, làm thay đổi trạng thái bề mặt hạt chất kết dính khi thấm nớc, giảm ma sát trợt, tăng độ dẻo, tăng tính công tác cho hỗn hợp bê tông Tiêu biểu cho loại này là phụ gia trên cơ sở lignosunphonat đợc sản xuất từ dịch kiềm đen của nhà máy giấy Loại phụ gia này có giá thành tơng đối thấp, có khả năng giảm nớc đến 15% Tuy nhiên nó

có nhợc điểm là: kéo dài thời gian đông kết của xi măng, cuốn quá nhiều không khí trong quá trình nhào trộn khi dùng quá liều lợng quy định Phụ gia tăng dẻo đợc chia thành ba thế hệ Loại phụ gia tăng dẻo có khả năng giảm n-

ớc từ 5-10% gọi là phụ gia tăng dẻo thế hệ một Loại phụ gia tăng dẻo có khả năng giảm nớc từ 10-15% gọi là phụ gia tăng dẻo thế hệ hai.Loại phụ gia tăng dẻo thế hệ ba có thể giảm đợc đến 30%-35%, đợc gọi là phụ gia giảm nớc tầm cao Nói chung, các loại phụ gia siêu dẻo có khả năng khắc phục đợc những

nhợc điểm của phụ gia tăng dẻo thông thờng, song chúng lại có giá thành cao hơn nhiều Mặt khác, nhiều loại phụ gia siêu dẻo chỉ duy trì đợc độ lu động của hỗn hợp bê tông trong một thời gian ngắn.

lỗ rỗng vi mô, chính hệ thống lỗ rỗng này làm giảm cờng độ, giảm độ bền xâm thực, giảm khả năng chống thấm của bê tông

Yêu cầu đối với nớc dùng nhào trộn hỗn hợp bê tông: Nớc dùng để trộn hỗn hợp bê tông phải đạt các chỉ tiêu kỹ thuật đề ra theo TCVN 4506-

1987, trong đó có một số chỉ tiêu cơ bản nh sau:

Nớc dùng trộn hỗn hợp bê tông phải thoả mãn một số chỉ tiêu cơ bản sau:

- Có độ PH không nhỏ hơn: 4

- Có hàm lợng muối sunfát nhỏ hơn: 3%

- Có hàm lợng muối không quá: 35g/l

1.3 Các hớng chế tạo bê tông siêu nặng

Bê tông siêu nặng là loại bê tông có khối lợng thể tích lớn, từ 2500ữ

4000 kg/m3 Nó có nhiều tính năng đặc biệt, nh: có khả năng chịu mài mòn, xói lở cao, có khả năng cản phóng xạ, bảo vệ sinh học Cũng nh các loại bê tông thông thờng, bê tông siêu nặng là một loại vật liệu hỗn hợp, đợc chế tạo

từ các thành phần nh: cốt liệu, chất kết dính, nớc và phụ gia Nên tính chất,

đặc tính của nó phụ thuộc vào tính chất của các thành phần cấu tạo nên nó Vì thế, để cải biến tính chất, chất lợng hay các đặc tính của bê tông, ta có thể dựa vào việc cải biến tính chất, chất lợng của các thành phần cấu tạo nên nó Nên,

để tăng khối lợng thể tích của bê tông, tạo ra bê tông siêu nặng ta có thể thực hiện theo các hớng sau:

- Sử dụng cốt liệu có khối lợng riêng lớn thay thế cho cốt liệu thờng

- Sử dụng chất kết dính có khối lợng riêng lớn thay thế cho xi măng thờng

- Tăng độ đặc chắc cho bê tông

1.3.1 Sử dụng cốt liệu có khối lợng riêng lớn thay thế cho cốt liệu thờng

Trong bê tông, cốt liệu chiếm hàm lợng lớn nhất nên hớng thay thế cốt liệu thông thờng bằng cốt liệu có khối lợng riêng lớn nhằm tăng khối lợng thể tích cho bê tông là hớng mang lại hiệu quả cao nhất Trong những năm gần

đây, có nhiều đề tài nghiên cứu theo hớng này và đã thu hoạch đợc nhiều kết quả rất có ý nghĩa Trong các đề tài ấy, các tác giả đã sử dụng các loại cốt liệu

có khối lợng riêng lớn thay thế cho cốt liệu thông thờng trong bê tông nh: bi thép, gang hay các loại quặng có khối lợng riêng lớn nh: quặng Barit, quặng Inmenit, quặng sắt, Crômit

Trong các đề tài nghiên cứu [6,7,8], việc thay thế cốt liệu trong bê

tông bằng những loại cốt liệu có khối lợng riêng lớn đợc thực hiện đối với cốt liệu lớn và cốt liệu nhỏ Các loại cốt liệu này đợc phân loại, rửa sạch, phơi khô tới độ ẩm xấp xỉ 0%, và đợc đóng bao, bảo quản cận thận Trớc khi đem sử dụng, chúng lại đợc kiểm tra độ ẩm một lần, vì thế chất lợng rất tốt Đồng thời, cốt liệu trớc khi đem sử dụng còn đợc kiểm tra thành phần khoáng hoá, khảo sát các tính chất cơ bản, và đợc phối hợp với nhau theo một cấp phối tối -

u, là cấp phối có khối lợng thể tích lớn nhất và độ rỗng nhỏ nhất Việc xác

định cấp phối tối u đợc thực hiện bằng thực nghiệm và đợc sử dụng cho cả cốt liệu lớn, cốt liệu nhỏ và hỗn hợp của chúng Vì thế, hiệu quả làm tăng khối l-ợng thể tích cho bê tông càng cao

1.3.2 Sử dụng chất kết dính có khối lợng riêng lớn thay thế cho xi măng

thờng

Trong hỗn hợp bê tông siêu nặng sử dụng cốt liệu có khối lợng riêng lớn, ngoài nớc thì xi măng có khối lợng riêng thấp hơn Vì vậy để tăng khối l-ợng thể tích của bê tông cần phải giảm lợng dùng xi măng và tăng lợng dùng cốt liệu Tuy nhiên, khi giảm lợng dùng xi măng và tăng lợng dùng cốt liệu, thể tích hồ xi măng trong bê tông giảm đi rất nhiều nên tính công tác của hỗn hợp bê tông sẽ rất kém, khó đảm bảo đợc khả năng thi công của hỗn hợp bê tông Do đó, để đảm bảo tính công tác cho hỗn hợp bê tông, nhiều tác giả

[6,7,8] đã thay thế một hàm lợng lớn xi măng bằng cốt liệu nặng nghiền mịn

có cỡ hạt nh xi măng trong quá trình trộn hỗn hợp bê tông

Nhng biện pháp nêu trên vẫn còn một số nhợc điểm không mong muốn làm giảm khả năng tăng khối lợng thể tích và cờng độ của bê tông Những nhợc điểm đó là:

- Việc nhào trộn không đều, không tận dụng đợc hết khả năng giảm

n-ớc của phụ gia siêu dẻo, làm tăng lợng dùng nn-ớc của hỗn hợp, tăng

độ rỗng trong bê tông

- Hạn chế lợng dùng cốt liệu nặng nghiền mịn Do khi thay thế

50ữ60% xi măng bằng cốt liệu nặng nghiền mịn thì hỗn hợp bê tông

có hiện tợng tách nớc và cờng độ bê tông giảm rõ rệt

Nguyên nhân gây ra những nhợc điểm đó là do việc thay thế một phần

xi măng bằng cốt liệu mịn có cỡ hạt nh xi măng Xét về mặt lý thuyết, để giảm lợng dùng xi măng nhng vẫn đảm bảo thể tích hồ, các tác giả đã sử dụng bột cốt liệu nặng nghiền mịn thay thế một phần xi măng trộn cùng với xi măng trong quá trình trộn hỗn hợp bê tông mang lại hiệu quả làm tăng khối l-ợng thể tích cho bê tông cao hơn, do nó bổ sung một lợng cốt liệu mịn cho bê tông làm hoàn thiện cấu trúc cho bê tông, làm giảm lợng lỗ rỗng có trong bê tông, giảm lợng dùng xi măng và tăng lợng dùng cốt liệu nên làm tăng khối l-ợng thể tích cho bê tông Nhng, khi đa bột cốt liệu vào trong bê tông ở quá trình nhào trộn hỗn hợp dẫn đến những nhợc điểm không mong muốn trên

Vậy, cần có một phơng pháp sử dụng bột cốt liệu năng nghiền mịn mới, sao cho có thể hạn chế những nhợc điểm trên.

Hiện nay, ở nớc ta cha nghiên cứu, ứng dụng và chế tạo xi măng nhiều cấu tử có khối lợng riêng lớn, nên việc sử dụng xi măng nhiều cấu tử có khối lợng riêng lớn thay thế cho xi măng thờng để chế tạo bê tông siêu nặng là cha

có Nhng xét về mặt lý thuyết, việc sử dụng xi măng nhiều cấu tử thay thế cho

xi măng thờng là có lợi Nó khắc phục những hạn chế mà khi thay thế một phần xi măng bằng bột cốt liệu gây ra Vì thế, việc sử dụng xi măng nhiều cấu

tử có khối lợng riêng lớn thay thế cho xi măng thờng sẽ mang lại ý nghĩa to lớn khi kết hợp với việc sử dụng cốt liệu có khối lợng riêng lớn thay thế cho cốt liệu thờng để chế tạo bê tông siêu nặng Bởi, khi sử dụng xi măng nhiều cấu tử có khối lợng riêng lớn là ta đã cải biến tính chất của bột cốt liệu từ dạng

là một chất độn thành một cấu tử của hệ chất kết dính nhiều cấu tử, nên hứa hẹn mang lại những kết quả khả quan

Tuy nhiên, do việc thay thế bột cốt liệu cho xi măng dới dạng phụ gia trơ sẽ ảnh hởng lớn đến tính chất của xi măng, nên cần phải nghiên cứu trớc khi ứng dụng vào thực tế

1.3.3 Tăng độ đặc chắc cho bê tông

Thực tế, lợng lỗ rỗng trong bê tông thông thờng không phải là nhỏ Nó không những trực tiếp làm giảm khối lợng thể tích của bê tông mà còn ảnh h-ởng trực tiếp đến những đặc tính kĩ thuật khác của bê tông nh: cờng độ, khả năng chống ăn mòn, xâm thực, tuổi thọ Vì thế, việc tăng độ đặc chắc cho bê tông là rất thiết thực Có thể tăng độ đặc chắc cho bê tông bằng những biện pháp sau:

- Sử dụng cấp phối hạt của cốt liệu tối u để đảm bảo cho bê tông đặc chắc, có bộ khung chịu lực (cốt liệu) ổn định và cấu trúc của bê tông

đồng nhất và tốt nhất

- Sử dụng tỷ lệ N/X thấp nhất để đảm bảo đá xi măng đặc chắc nhất

Điều này có thể thực hiện đợc bằng cách thiết kế cấp phối hợp lý,

đồng thời sử dụng phụ gia dẻo hoá hay siêu dẻo

- Sử dụng các loại phụ gia khoáng để bổ xung thành phần vi cốt liệu cho bê tông.

1.4 Lĩnh vực sử dụng của bê tông siêu nặng

Bê tông siêu nặng là một trong những loại vật liệu mới có các tính năng đặc biệt, nó đợc sử dụng nhiều trong các nghành xây dựng, năng lợng

Cụ thể:

Bê tông siêu nặng đợc làm vật liệu chống phóng xạ trong các nhà máy

điện hạt nhân và trong các phòng có sử dụng máy chiếu tia Rơn-ghen

Bê tông siêu nặng đợc sử dụng làm vật đối trọng, tăng khả năng neo trong các công trình xây dựng ngoài khơi nh: dàn khoan dầu, ống dẫn dầu khí dới biển Bê tông càng nặng thì khả năng chìm xuống nớc càng lớn Do đó, để giữ cho một vật không bị nổi lên mặt nớc hoặc để đạt đợc một lực neo giữ nhất định khi thể tích càng nhỏ thì khôí lợng thể tích của nó càng lớn

Bê tông siêu nặng đợc sử dụng làm tờng chắn sóng biển bảo vệ hải cảng và bờ biển Cấu trúc tờng chắn thờng đợc làm từ các khối bê tông có khối lợng từ 6 đến 20 tấn Độ ổn định của các khối bê tông chống tác động của sóng biển này phụ thuộc vào kích thớc của khối bê tông và sự chênh lệch giữa khối lợng thể tích của khối bê tông và của nớc biển Với một độ ổn định cho trớc thì thể tích của khối bê tông tỷ lệ nghịch với lập phơng của sự chênh lệch khối lợng thể tích

Bê tông siêu nặng đợc sử dụng làm vật liệu xây dựng đờng hầm dẫn

n-ớc và sân tiêu năng của đập thuỷ điện Do nó có khả năng chống mài mòn trn-ớc các tác động của vận tốc dòng chảy lớn

1.5 Kết luận

Với tính năng đặc biệt và lĩnh vực sử dụng rộng rãi, bê tông siêu nặng

là một loại vật liệu mới có thể nâng cao chất lợng xây dựng của các công trình cần có độ chống mài mòn, xói mòn và có khả năng cản phóng xạ Vậy, nghiên cứu, chế tạo bê tông siêu nặng là một yêu cầu thiết thực, đặc biệt khi nớc ta

đang chuẩn bị xây dựng nhiều công trình thuỷ điện, xây dựng và sửa chữa các công trình ven biển, các bệnh viện hay phòng thí nghiệm có sử dụng năng l-ợng phóng xạ

chơng ii: xi măng nhiều cấu tử có lợng cần

n-ớc thấp

2.1 Giới thiệu xi măng nhiều cấu tử có lợng cần nớc thấp

Xi măng nhiều cấu tử là loại xi măng mà trong thành phần của có ngoài clanhke xi măng còn có thêm các loại phụ gia nh phụ gia điều chỉnh thời gian đông kết, phụ gia khoáng, Phụ gia khoáng đ… ợc sử dụng trong xi măng nhiều cấu tử với mục đích làm giảm lợng dùng clanhke xi măng trong hỗn hợp, tạo ra hiệu quả kinh tế cao hơn

Xi măng nhiều cấu tử có lợng cần nớc thấp là loại xi măng nhiều cấu

tử thế hệ mới Thành phần của nó bao gồm clanhke xi măng poóclăng, thạch cao, phụ gia khoáng và phụ gia giảm nớc tầm cao Đặc điểm nổi bật của xi măng nhiều cấu tử có lợng cần nớc thấp là trong thành phần của nó không thể thiếu phụ gia giảm nớc tầm cao ở dạng bột Trên thế giới, việc chế tạo và sử dụng xi măng nhiều cấu tử có lợng cần nớc thấp đã rất phổ biến Nó đem lại nhiều lợi ích kinh tế và kỹ thuật nh:

- Khi nghiền cùng clanhke xi măng, phụ gia phân bố đều trong xi măng nên tác dụng của nó tới hỗn hợp bê tông triệt để hơn, từ đó cho phép nâng cao chất lợng của bê tông

- Phụ gia giảm nớc là chất hoạt động bề mặt Trong quá trình nghiền, các phần tử phụ gia hấp phụ lên bề mặt của các hạt xi măng, chống lại sự tích tụ của các hạt xi măng và sự bám dính của chúng vào bi

và thùng nghiền, do đó làm tăng hiệu quả nghiền và tăng năng suất máy nghiền

- Việc định lợng phụ gia tại nhà máy thuận tiện và chính xác hơn nhờ nâng cao chuyên môn hoá, cơ giới hoá trong sản xuất

- Giảm thao tác cân đong phụ gia khi sử dụng nên có thể giảm chi phí, tăng đợc tốc độ thi công tại công trờng

Quá trình thuỷ hoá của xi măng, vai trò của phụ gia khoáng và phụ gia siêu dẻo trong thành phần của xi măng nh sau:

2.2 Quá trình thuỷ hoá của xi măng Poóclăng

Khi nhào trộn xi măng với nớc, ở giai đoạn đầu xảy ra quá trình tác dụng lý- hoá học Trớc tiên là các tác dụng lý học gồm: sự phân bố nớc trên

bề mặt hạt xi măng và quá trình hoà tan các khoáng của xi măng vào nớc Sau

đó là các quá trình tác dụng hoá học, là sự thuỷ hoá của các khoáng trong xi măng Đầu tiên, khoáng Alít (C3S) tác dụng với nớc tạo ra hyđrôsilicát canxi

Trong quá trình thuỷ hoá, tuỳ theo điều kiện môi trờng, tricanxi aluminát (3CaO.Al2O3) có thể tạo thành các hyđrôaluminat canxi có thành phần khác nhau nh: 4CaO.Al2O3.9H2O, 2CaO.Al2O3.8H2O, 3CaO.Al2O3.6H2O

Khi có thạch cao, tricanxi aluminat sẽ kết hợp với thạch cao tạo thành khoáng ettringit theo phản ứng:

3CaO.Al2O3 + 3(CaSO4.2H2O) + 26H2O = 3CaO.Al2O3.3CaSO4.(31ữ32)H2O

Sau đó, ettringít có thể tác dụng với 3CaO.Al2O3 còn d tạo ra muối kép hyđro sunphoaluminat canxi một sunphat:

2(3CaO.Al2O3) + 3CaO.Al2O3.3CaSO4.32H2O + 22H2O =

3(3CaO.Al2O3.CaSO4.18H2O)

Tetracanxi alumoferit tác dụng với nớc tạo ra hyđô aluminát canxi và hyđrôferit canxi theo phơng trình:

4CaO.Al2O3.Fe2O3 + mH2O = 3CaO.Al2O36H2O + CaO.Fe2O3 .nH2O Tóm lại, quá trình thuỷ hoá của xi măng phụ thuộc vào nhiều yếu tố, nhng các yếu tố đó đợc chia thành hai nhóm chính là: các yếu tố bên ngoài và

các yếu tố bên trong Các yếu tố bên ngoài bao gồm: nhiệt độ môi trờng, điều kiện đóng rắn Còn các yếu tố bên trong gồm: thành phần khoáng hoá, độ nghiền mịn của xi măng, hàm lợng phụ gia và loại phụ gia có trong xi măng

2.3 Vai trò của phụ gia khoáng trong quá trình thuỷ hoá xi măng

Phụ gia khoáng trong xi măng gồm có phụ gia khoáng hoạt tính và phụ gia khoáng không có hoạt tính (còn gọi là phụ gia điền đầy hay phụ gia trơ)

Phụ gia khoáng không có hoạt tính gồm các loại vật liệu khoáng

thiên nhiên hay nhân tạo có trong xi măng nhng chúng không tham gia vào quá trình hydrat hóa trong xi măng Nó đóng vai trò làm cốt liệu mịn, có tác dụng chính là bổ xung vào thành phần hạt cho xi măng và hoàn thiện cấu trúc của đá xi măng Ngoài ra, do nó thay thế một phần xi măng nên làm giảm nhiệt độ thuỷ hóa của chất kết dính, làm tăng hiệu quả kinh tế và bảo vệ môi trờng

Phụ gia khoáng hoạt tính gồm các loại vật liệu khoáng thiên nhiên

(tro núi lửa, điatomit, zeolit, trass) hay nhân tạo (xỉ lò cao (BFS), tro bay (FA),

đất sét nung, silica fum, tro trấu (RHA), metacaolanh (MK)) Các phụ gia khoáng này đều có hàm lợng SiO2 hoạt tính cao do đó có thể phản ứng hoá học với Ca(OH)2 ở nhiệt độ thờng tạo nên các thành phần xi măng hoá Do đó, phụ gia khoáng hoạt tính không những ảnh hởng đến thành phần hạt, tính công tác của hồ xi măng mà còn tác động đến sự đồng nhất của sản phẩm thuỷ hoá và cấu trúc của đá xi măng

Trong hồ xi măng không chứa phụ gia khoáng hoạt tính, Ca(OH)2 sinh

ra do quá trình thuỷ hoá xi măng thờng kết tinh thành các tinh thể lớn Sự kết tinh này xảy ra ở những nơi chứa nhiều nớc nh trong các lỗ rỗng mao quản, hoặc ở vùng tiếp giáp giữa xi măng với cốt liệu Khi ấy, chính việc kết tinh của Ca(OH)2 lại làm xuất hiện ứng suất trong cấu trúc của bê tông, và do độ

bền của Ca(OH)2 rất kém nên làm suy giảm cờng độ của bê tông, cũng nh các tính chất khác của bê tông rất nhiều

Khi có phụ gia khoáng hoạt tính, nhờ có phản ứng Puzơlanic làm cho hàm lợng Ca(OH)2 giảm xuống Đặc biệt, khi đợc phân tán đồng đều, phụ gia khoáng hoạt tính sẽ lấp đầy các lỗ rỗng hình thành trong đá xi măng Tại đó, chúng tham gia phản ứng puzơlanic với Ca(OH)2, tạo thành hyđro silicat canxi không tan, làm cho đá xi măng đặc chắc hơn, cải thiện cấu trúc cho vữa và bê tông Kết quả là cờng độ của vữa, bê tông cũng nh khả năng chống thấm, chống ăn mòn trong môi trờng xâm thực của bê tông đều đợc cải thiện

2.4 Vai trò của phụ gia siêu dẻo trong quá trình thuỷ hoá xi măng

Phụ gia siêu dẻo là chất hoạt động bề mặt. Phụ gia siêu dẻo thờng

dùng nhất là các loại muối của sản phẩm trùng ngng đã sunphua hoá của formaldehyde với naphthalene hoặc melamine

Mỗi nhóm phân tử của phụ gia siêu dẻo chứa một số nhóm chức có cực tính khác nhau, xen kẽ các gốc không có cực tính Khi hấp phụ, các nhóm không có cực tính của chất hoạt động bề mặt hớng về các pha rắn (hạt xi măng) còn gốc có cực tính hớng ra ngoài Lớp hấp thụ đó có ảnh hởng lớn tới các sản phẩm thuỷ hoá của xi măng, nó giữ ở gần nó một lớp màng nớc tơng

đối dày, làm tăng độ thấm ớt hạt xi măng, đồng thời làm giảm nội ma sát giữa các hạt xi măng và cốt liệu

Chất hoạt động bề mặt còn ngăn cản sự tiếp xúc giữa xi măng và nớc,

đồng thời làm giảm sức căng bề mặt, giảm năng lợng tự do trên bề mặt xi măng Lúc đó, các hạt xi măng đợc tích điện cùng dấu, giữa các hạt sinh ra một lực đẩy tĩnh điện ngăn cản không cho các hạt tiếp xúc với nhau Khả năng phân tán của chúng trong nớc tăng lên Do các hạt xi măng đợc bao bọc quanh bởi chất hoạt động bề mặt nên hồ xi măng không bị phân tầng, tách nớc, làm chậm quá trình đông cứng, làm giảm lực hút và lực ma sát giữa các hạt nên chúng dễ dàng chuyển động tơng đối với nhau Nói khác đi, do có chất hoạt

động bề mặt mà các hạt xi măng trong nớc đã chuyển từ trạng thái dễ keo tụ sang trạng thái huyền phù bền vững hơn

Phụ gia siêu dẻo cũng ảnh hởng đến quá trình thuỷ hoá rắn chắc của xi măng và tới cấu trúc của đá xi măng Trong hồ xi măng, phụ gia siêu dẻo hấp phụ mạnh lên bề mặt pha aluminat làm giảm tốc độ thuỷ hoá của khoáng này,

đồng thời làm giảm tốc độ thuỷ hoá của khoáng C3S Mặt khác, khi có phụ gia siêu dẻo, các hạt xi măng sẽ phân tán mạnh đến kích thớc ban đầu của chúng khi nhào trộn với nớc, làm tăng bề mặt tiếp xúc giữa xi măng với nớc, do đó mức độ thuỷ hoá của xi măng cao hơn khi không có phụ gia Nh vậy, phụ gia siêu dẻo làm giảm tốc độ thuỷ hoá ban đầu của xi măng, song lại làm tăng mức độ thuỷ hoá cuối cùng của nó

Phụ gia siêu dẻo là thành phần không thể thiếu để sản xuất bê tông, vữa cờng độ cao và chất lợng cao Có thể sử dụng phụ gia siêu dẻo để tăng c-ờng độ cho vữa hoặc bê tông khi giữ nguyên lợng dùng xi măng, hay làm tăng

độ sụt của hỗn hợp mà không cần phải thêm nớc Phụ gia siêu dẻo cũng có thể cải thiện đợc các tính chất của bê tông, vữa sử dụng cốt liệu thô hay bê tông, vữa nghèo xi măng hoặc cả hai Khi có mặt phụ gia siêu dẻo, nếu giữ nguyên

tỷ lệ N/X và độ sụt thì có thể giảm lợng dùng xi măng, do đó có thể làm giảm lợng nhiệt thuỷ hoá dẫn đến giảm mức tăng nhiệt của bê tông Điều này đặc biệt có lợi với bê tông khối lớn và hỗn hợp bê tông có lợng dùng xi măng cao Phụ gia siêu dẻo làm tăng độ linh động của hỗn hợp vữa, bê tông, giảm lợng nớc nhào trộn dẫn đến tăng cờng độ, tăng độ đặc chắc của vữa, bê tông và cải thiện các tính năng khác Bê tông, vữa sử dụng phụ gia siêu dẻo có độ đồng nhất cao, nó cải thiện sự phân tán của các hạt xi măng, nâng cao độ đặc chắc,

do lợng nớc tự do thấp nên có thể khả năng chống thấm cao và co ngót thấp

Do giảm nhiều lợng nớc nhào trộn, nên bê tông, vữa có phụ gia siêu dẻo đạt

độ bền cao và phát triển cờng độ sớm vì vậy đẩy nhanh đợc tiến độ thi công

2.5 Tính chất của xi măng nhiều cấu tử có lợng cần nớc thấp

Khi sử dụng trong bê tông, xi măng nhiều cấu tử có lợng cần nớc thấp

có những u điểm so với xi măng truyền thống nh sau:

- Phản ứng Puzơlanic xảy ra nhanh hơn từ 3ữ6 lần.

- Bê tông sử dụng xi măng nhiều cấu tử có lợng cần nớc thấp có cờng

độ cao và có đặc tính thi công tốt hơn so với bê tông có cùng độ sụt

sử dụng xi măng truyền thống

2.6 Kết luận

Xi măng nhiều cấu tử có lợng cần nớc thấp, với những u điểm nổi bật,

đã mở ra một hớng mới để đa cốt liệu nặng nghiền mịn thay thế cho một lợng lớn xi măng mà lại khắc phục đợc các nhợc điểm của phơng pháp trộn chung bột cốt liêu nặng nghiền mịn trong quá trình trộn bê tông gây ra

PhÇn Ii: Thùc nghiÖm

chơng 3: xác định tính chất của nguyên vật liệu sử dụng và phơng pháp nghiên cứu

3.1 Xác định tính chất của nguyên vật liệu sử dụng

Việc xác định các tính chất của nguyên vật liệu sử dụng là một phần quan trọng giúp chúng em đánh giá sơ bộ về loại nguyên liệu sử dụng và tạo cơ sở để xác định các bớc tiếp theo Sau đây là một số tính chất của xi măng, phụ gia dùng trong đề tài này

3.1.1 Xi măng PC40 -Bút Sơn

Xi măng sử dụng trong nghiên cứu là xi măng PC40 -Bút Sơn có các

tính chất cơ lý nh bảng 1.

Bảng 1: Tính chất cơ lý của xi măng PC-40 Bút Sơn

theo tiêu chuẩn1

Cờng độ nén ( N/mm2 )

- 3 ngày

- 28 ngày

21,441,1 TCVN 6016 - 1995

3.1.2 Phụ gia trơ (làm tăng khối lợng riêng của xi măng)

Nhằm tăng khối lợng riêng của xi măng, đề tài sử dụng các loại quặng

có khối lợng riêng lớn là Barit và Inmenit để thay thế một phần xi măng Các phụ gia này đợc nghiền cùng với xi măng và một lợng phụ gia siêu dẻo thích hợp

a) Quặng Barit

Thực hiện khảo sát nguyên liệu ở hai mỏ tại Nghệ An và Tuyên Quang cho thấy khối lợng riêng của các quặng tơng ứng là: 3,36 và 4,42 (g/cm3) Do quặng Barit Tuyên Quang có khối lợng riêng lớn hơn nên trong quá trình thí nghiệm sử dụng Barit Tuyên Quang làm nguyên liệu

Quặng Barit sau khi khai thác đợc đem đập nhỏ, sau đó, sàng phân loại thành các cỡ hạt: 0,14 - 20mm Các cỡ hạt từ 0,14 - 5 mm đợc phân loại và phối hợp với nhau theo một tỷ lệ thích hợp dùng làm cát để chế tạo bê tông và vữa trát Các cỡ hạt từ 5 - 20 mm đợc phân loại và phối hợp với nhau theo tỷ lệ thích hợp dùng làm cốt liệu lớn để chế tạo bê tông Riêng cỡ hạt dới 0,14mm sau khi gia công từ đá gốc đợc loại bỏ vì ở cỡ hạt này thờng chứa các hạt mềm, các tạp chất lẫn vào quặng Loại bột này sẽ làm xấu tính chất của vữa và

3.1.3 Phụ gia siêu dẻo

Phụ gia siêu dẻo sử dụng trong đề tài là Mighty- 100 của hãng Kao Nhật Bản Đây là loại phụ gia dạng bột, màu nâu, pH = 9,0±1, tan tốt trong n-ớc

Từ lâu, Mighty- 100 đã đợc sử dụng làm phụ gia siêu dẻo cho bê tông Loại phụ gia này, khi sử dụng với hàm lợng hợp lý, cho phép làm giảm lợng n-

ớc nhào trộn trong bê tông 20% đến 25%, không làm ảnh hởng đến thời gian

đông kết, khả năng cuốn khí thấp Phụ gia Mighty- 100 thoả mãn tiêu chuẩn ASTM C494-91 và thờng đợc sử dụng để giảm tỷ lệ N/X trong hỗn hợp bê tông, làm tăng độ đặc chắc, tăng cờng độ của bê tông

KÕt qu¶ thÝ nghiÖm nh trong c¸c b¶ng 2,3,4,5 sau:

B¶ng 2 : KÕt qu¶ thÝ nghiÖm cña c¸t Barit

Bảng 3: Kết quả thí nghiệm của đá dăm Barit

ợc thể hiện trong bảng sau:

Bảng 4: Kết quả phối hợp hai cấp đá

Xi măng PC40-Bút Sơn nghiền cùng phụ gia trơ và phụ gia siêu dẻo trong 30 phút Để đánh giá ảnh hởng của phụ gia siêu dẻo và phụ gia trơ

đến các tính chất của xi măng Chúng em đã nghiền xi măng PC40-Bút Sơn cùng phụ gia siêu dẻo và bột cốt liệu nặng (Barit hoặc Inmenit ) đợc phối hợp theo những tỷ lệ xác định và đợc nghiền trong máy nghiền bi rung trong thời gian 30 phút

Để biểu thị thành phần cấp phối và thời gian nghiền, sử dụng ký hiệu chung cho các loại xi măng sử dụng phụ gia trơ là:

Inmenit là: XE – a - b - t

Barit là: XB – a - b - t

Với:

XE, XB : ký hiệu mẫu xi măng nghiền cùng Inmenit hoặc Barit

a : hàm lợng phần trăm theo khối lợng của phụ gia trơ có trong

mẫu

b : hàm lợng phần trăm theo khối lợng xi măng PC40-Bút Sơn

của phụ gia siêu dẻo có trong mẫu

t : thời gian nghiền

đợc giới hạn là 20% vì: Nếu hàm lợng phụ gia trơ nhỏ hơn thì mặc dù cờng độ của chất kết dính cao nhng khối lợng riêng của nó tăng không đáng kể so với

xi măng ban đầu

Hàm lợng phụ gia siêu dẻo đợc giới hạn trong khoảng: 1,0-2,5% khối lợng xi măng, cao hơn so với lợng dùng phụ gia thông thờng vẫn sử dụng dới dạng hoà tan với nớc nhào trộn Lợng phụ gia này đợc lựa chọn dựa trên cơ sở tham khảo các tài liệu [4,20].

Thời gian nghiền đợc lựa chọn trên cơ sở độ mịn và tính kinh tế Thời gian nghiền càng lâu xi măng càng có hoạt tính Tuy nhiên, thời gian nghiền tăng đến mức độ nào đó thì dù thời gian nghiền có tăng nhng hiệu quả nghiền tăng không đáng kể Mặt khác, việc tăng thời gian nghiền quá lâu có thể ảnh hởng đến thời gian đông kết của xi măng Nên cần lựa chọn thời gian nghiền hợp lý

Xi măng PC40-Bút Sơn nghiền cùng phụ gia trơ trong 30 phút

Để đánh giá đợc tác dung của phụ gia trơ đến một số tính chất của xi măng, chúng em chuẩn bị một số mẫu xi măng PC40-Bút Sơn nghiền cùng phụ gia trơ, không dùng phụ gia siêu dẻo

TCVN 4030-1985 Xi măng-phơng pháp xác định độ mịn của bột xi măng.

TCVN 6016-1995 Xi măng-phơng pháp xác định giới hạn bền uốn và nén

3.3.2 Phơng pháp xác định các chỉ tiêu cơ lý của cốt liệu

TCVN 1770-1986 Cát xây dựng-Yêu cầu kỹ thuật

l-TCVN 3115-1993 Bê tông nặng Phơng pháp xác định khối lợng thể tích

TCVN 3118-1993 Bê tông nặng Phơng pháp xác định cờng độ nén

3.3.4 Phơng pháp phân tích nhiệt

Phơng pháp phân tích nhiệt vi sai (Differential Thermal DTA) là khảo sát sự thu hay nhận nhiệt lợng theo nhiệt độ của mẫu Phơng pháp phân tích nhiệt trọng lợng (Thermal Gravity Analysis-TGA) là khảo sát

Analysis-sự phụ thuộc của trọng lợng vào nhiệt độ mẫu Từ các phép đo này ta có thể xác định đợc sự thu hay toả nhiệt, sự mất trọng lợng do mất nớc tự do, mất nớc liên kết ở dạng gel của các sản phẩm thuỷ hoá C-S-H ở khoảng nhiệt

độ<1500C và mất nớc hoá học của sản phẩm Ca(OH)2 ở khoảng nhiệt độ

400-4500C từ đó đa ra những so sánh về hàm lợng các sản phẩm trên có trong mẫu thí nghiệm Cả hai phép trên đo đều đợc thực hiện trên máy đo tự động SDT

2960 của Hãng TA Instruments, Mỹ với tốc độ nâng nhiệt 100C/phút tại Trung tâm vật liệu - Đại học khoa học tự nhiên

3.3.5 Phơng pháp quy hoạch thực nghiệm bậc hai tâm xoay

Phơng pháp quy hoạch là một trong những phơng pháp có hiệu quả nhất giúp chúng ta khảo sát các tính chất của một hệ công nghệ Phơng pháp quy hoạch thực nghiệm áp dụng các phơng pháp toán học, đặc biệt là phơng pháp bình phơng bé nhất, lý thuyết thống kê toán, lý thuyết quy hoạch toán để lập các phơng án thí nghiệm nhằm thu đợc những số liệu cần thiết về một hệ thống, rồi xử lý số liệu, từ đó xây dựng mô hình thống kê cho hệ thống có kèm theo mức đánh giá về độ tin cậy của kết quả

Thông thờng, một hệ công nghệ có sự biến đổi tính chất rất phức tạp, nên không thể mô tả nó bằng một phơng trình toán đơn giản duy nhất Để đơn giản, ta nghiên cứu hệ với sự thay đổi của các thông số đầu vào trong một khoảng nhất định mà trong khoảng đó hệ có thể mô tả bằng một phơng trình toán đơn giản

Do tính chất của hệ biến đổi rất phức tạp, nó biến đổi phụ thuộc vào các nhân tố ảnh hởng, khi các nhân tố này biến đổi thì hệ cũng biến đổi theo

Sự biến đổi của hệ theo các nhân tố cũng rất phức tạp, ta không thể nhìn thấy

một cách cụ thể mà ta chỉ hiểu đợc nó thông qua các biểu hiện của hệ ra bên ngoài Các nhân tố ảnh hởng đến hệ còn đợc gọi là các biến vào Các biến này

có thể kiểm soát đợc hoặc không thể kiểm soát đợc Các biến kiểm soát đợc gọi là các biến vào, còn các biến không kiểm soát đợc gọi là các biến ngẫu nhiên Các biểu hiện của hệ ra bên ngoài đợc gọi là các biến ra, thực tế ngời ta thờng thông qua các biến ra để điều chỉnh hệ và từ đó định hớng cho quá trình tác động tiếp theo vào hệ, đồng thời còn coi những biểu hiện của hệ ra bên ngoài là mục tiêu của quá trình tác động Vì thế, các biến ra còn đợc gọi là các biến mục tiêu

Do một hệ công nghệ rất phức tạp, nên ngời ta thờng dùng các phơng trình toán để mô tả hệ, dạng của phơng trình này đợc lựa chọn thông qua các kết quả thí nghiệm thăm dò Các mô hình toán thờng dùng để mô tả hệ là các phơng trình tuyến tính hoặc phơng trình đờng cong bậc hai hay lôgarit Trong

đó dạng phơng trình đờng cong bậc hai thờng đợc dùng trong các bài toán tối

-u hoá khi cần tìm cực trị Trong một số trờng hợp đặc biệt, phơng trình đờng cong bậc hai có thể bị suy biến về bậc nhất, nên phơng trình tuyến tính có thể

đợc biểu diễn bởi phơng trình đờng cong bậc hai khi hệ số của hạng tử bậc hai bằng không Trong đề tài này, chúng em lựa chọn dạng phơng trình đờng cong bậc hai để mô tả hệ xi măng nhiều cấu tử có khối lợng riêng lớn cần nghiên cứu

Phơng trình tổng quát mô tả hệ có dạng:

1 1

u

j u j j j

k

j b x b x x b x +

(1)

Y-Hàm mục tiêu

xi, xj,xu-Các biến mã của hàm toán mô tả hệ

Để mô tả hệ một cách chính xác ta cần thực hiện tốt các bớc theo sơ

đồ thuật toán của phơng pháp quy hoạch thực nghiệm bậc hai tâm xoay

Cụ thể các bớc thực hiện đợc trình bày nh sau:

Xác định các thông số của mô hình thống kê

Xác định các hệ số hồi quy (các thông số) từ N thực nghiệm theo công thức (số N phải lớn hơn hệ số):

2 1

1

ji

N i

i ji

N

i j

x

y

x b

2 2 1

2 1

ui ji

N i

i ui ji

N

i ju

x x

y x

x b

Kiểm tra độ đồng nhất của phơng sai lặp:

Từ kết quả của các thí nghiệm tại tâm,ta tính: Phơng sai lặp tại tâm theo công thức:

2

1 2

1

)(

m a

o oa ll

Với: yoa – giá trị hàm mục tiêu ở thực nghiệm thứ α tại tâm kế hoạch

yo – giá trị trung bình của m thực nghiệm tại tâm kế hoạch

∑

=

a oa

o y m

Sbj

; 1 2

ll

x S

Trong đó: Sll - phơng sai lặp đợc xác định theo công thức (7)

N – số thí nghiệm trong kế hoạch

Kiểm tra tính tơng hợp của mô hình theo tiêu chuẩn Fisher: F ≤ Fp,f1,f

Trong đó:

Fp,f1,f2- giá trị tra bảng của chuẩn số Fisher theo:

Mức có nghĩa: pBậc tự do lặp: f2Bậc tự do d: f1 = N – l

F – chuẩn số Fisher xác định theo công thức :

2

2 -

) ˆ (

l N

Y y S

N

i

i i du

−

−

=∑=

Với: yi, Yˆi- giá trị thực nghiệm và tính toán của hàm mục tiêu

l – Số hệ số có nghĩa của phơng trình hồi quy

Nếu điều kiện trên thỏa mãn, thì mô hình thống kê (hoặc hàm hồi quy) tơng hợp với thực nghiệm; trờng hợp ngợc lại thì phải cải tiến mô hình bằng cách chuyển sang mô tả hệ bằng hàm hồi quy bậc hai (mô hình thống kê phi tuyến bậc hai) nếu thấy:

2 , )

(

)

jj o

o

o o yo

S y b S

y b t

Trong đề tài này, chúng em sử dụng mô hình thống kê dới dạng hàm hồi quy bậc hai các nhân tố biến thiên ở 3 mức Nên số thí nghiệm cần thực hiện trong đề tài là: N = 2n + 2n + No

Trong đó:

- 2n là số thí nghiệm trong quy hoạch toàn phần bậc 1

- 2n là số thí nghiệm ở các điểm sao

- No là số thí nghiệm ở tâm

Mức α của mô hình đợc tra theo tài liệu [10] và bằng: 1,682.

Trong bảng 6, x1, x2, x3 là các biến đã mã hóa Các biến mã hóa này liên quan với các biến thực bởi biểu thức:

i io i

i

X X x

X

−

=

∆

Trong đó: ∆Xi - Khoảng biến thiên của biến thực

Xi - Mức trên hoặc mức dới của biến thực thứ i

∆ =

B¶ng 6 : KÕ ho¹ch thÝ nghiÖm bËc hai t©m xoay víi 3 nh©n tè

Sự phân bố của các điểm thực nghiệm trong không gian nhân tố của kế

hoạch bậc hai tâm xoay với 3 nhân tố là đều và đợc mô tả trên hình1.

12(0,1.682,0) 10(1.682,0,0)

Hình 1: Phân bố của các điểm thực nghiệm trong không gian nhân tố của kế

hoạch bậc hai tâm xoay với ba nhân tố.

Chơng iv: kết quả nghiên cứu

4.1 Nghiên cứu ảnh hởng của phụ gia siêu dẻo sử

dụng dới dạng phụ gia trợ nghiền và phụ gia trơ

từ các loại quặng có khối lợng riêng lớn đến tính chất của xi măng

4.1.1 ảnh hởng của phụ gia siêu dẻo sử dụng dới dạng phụ gia trợ nghiền

đến độ mịn của xi măng

Phụ gia siêu dẻo ngoài khả năng giảm nớc còn có tính trợ nghiền, tức

là có khả năng làm tăng hiệu quả nghiền trong quá trình nghiền mịn xi măng Tính chất này của phụ gia siêu dẻo đã đợc nhiều nhà khoa học chứng minh

[4,5,15] Nhng khi có mặt phụ gia trơ là Barit hoặc Inmenit, liệu phụ gia siêu

dẻo Mighty-100 có còn tác dụng trợ nghiền hay không? Để làm rõ điều này, chúng em xác định tỷ diện tích bề mặt của các mẫu xi măng đợc nghiền trong

cùng thời gian 30 phút theo TCVN 4030-1985 Kết quả cho trong bảng 7.

Bảng 7: Tỷ diện tích bề mặt của các mẫu xi măng (cm 2 /g)

STT Ký hiệu mẫu Tỷ diện tích bề mặt (cm2/g)

Hai mẫu xi măng XB-50-1,5-30 (8186 cm2/g), XE-50-1,5-30 (5833cm2/g), có độ mịn cao hơn hẳn so với mẫu XB-50-0-30 (6251cm2/g), XE-50-0-30 (4395 cm2/g) Điều này có thể giải thích nh sau:

Năng lợng tự do của hệ nghiền tuân theo phơng trình:

E = б.SE: Năng lợng tự do bề mặt

б : Sức căng bề mặt

S : Tổng diện tích bề mặt của hệ nghiền

Khi hệ nghiền càng mịn, diện tích bề mặt riêng (S) càng tăng, nên năng lợng tự do bề mặt (E) càng lớn, khi đó xuất hiện xu hớng giảm năng lợng

tự do và xảy ra quá trình tích tụ, dính kết các hạt nhỏ lên các hạt lớn, lên bề mặt bi đạn, thành vách máy nghiền, dẫn đến quá trình nghiền mịn càng khó Khi có mặt phụ gia siêu dẻo là chất hoạt động bề mặt, chúng hấp phụ lên bề mặt các hạt rắn, tạo thành màng hấp phụ đơn phân tử làm giảm năng lợng tự

do bề mặt, các hạt có điện tích bề mặt cùng dấu đẩy nhau, ít dính kết với nhau,

dễ trợt lên nhau, hệ linh động hơn, việc nghiền tiếp theo dễ dàng hơn

Trong quá trình nghiền các hạt rắn luôn tồn tại các vết nứt không liên tục, hạt chỉ vỡ khi lực va đập đủ lớn Các chất hoạt động bề mặt xâm nhập sâu vào các vết vi nứt, hấp phụ lên thành vách vết nứt làm giảm lực tơng tác giữa hai thành vách, đồng thời hai thành vách vết nứt tích điện cùng dấu đẩy nhau, tạo nên lực chẻ làm giảm độ cứng của hạt, do đó hạt dễ vỡ hơn, hiệu quả nghiền cao hơn

4.1.2 ảnh hởng của phụ gia trơ đến một số tính chất của xi măng

a) Khối lợng riêng

Phụ gia trơ từ các loại quặng có khối lợng riêng lớn đợc đa vào trong thành phần của xi măng với tác dụng chính là làm tăng khối lợng riêng của xi măng Chúng em khảo sát ảnh hởng của phụ gia trơ đến khối lợng riêng của xi măng thông qua một số mẫu xi măng nghiền cùng phụ gia trơ trong thời gian

30 phút Kết quả cho trong bảng 8.