Bài giảng vật liệu xây dựng chương III TS nguyễn quang phú

Cũng có thể nói, những cột trụ xi măng của đảo Baien được xuất hiện từ thời kỳ đồ đá, sớm hơn rất nhiều so với thời đại La Mã cổ... Thời kỳ hóa keo Trong dung dịch đã bão hòa, các thàn

Nguồn gốc của xi măng

1 Lịch sử hình thành

+ Từ xa xưa, con người đã biết dùng những vật liệu đơn sơ như đất sét, đất bùn nhào rác, dăm gỗ, cỏ khô băm …để làm gạch, đắp tường, dựng vách cho chỗ trú ngụ của mình Có thể tóm lược các bước hình thành xi măng như sau:

- Người Ai Cập đã dùng vôi tôi làm vật liệu chính.

- Người Hy Lạp trộn thêm vào vôi đất núi lửa ở đảo Santorin, hỗn hợp này đã được các nhà xây dựng thời đó ưu ái nhiều năm.

1 Lịch sử hình thành

- Người La Mã thêm vào loại tro – đất núi lửa Vésuve

miền Puzzolles Về sau này, phún – xuất – thạch núi lửa được dùng làm một loại phụ gia hoạt tính chịu cách nhiệt và cách âm, và trở thành danh từ chung

“Pozzolana” (Anh), “Pouzzolane” (Pháp)

- Vào năm 1750, kỹ sư Smeaton người Anh, nhận nhiệm

vụ xây dựng ngọn hải đăng Eddystone vùng

Cornuailles Ông đã thử nghiệm dùng lần lượt các loại vật liệu như thạch cao, đá vôi, đá phún xuất… Và ông khám phá ra rằng loại tốt nhất đó là hỗn hợp nung giữa

đá vôi và đất sét.

- Hơn 60 năm sau, 1812, một người Pháp tên Louis Vicat hoàn chỉnh điều khám phá của Smeaton, bằng cách xác định vai trò và tỷ lệ đất sét trong hỗn hợp vôi nung nói trên Và thành quả của ông là bước quyết định ra công thức chế tạo xi măng sau này.

- Ít năm sau, 1824, một người Anh tên Joseph Aspdin lấy bằng sáng chế xi măng (bởi từ latinh Caementum :

chất kết dính), trên cơ sở nung một hỗn hợp 3 phần đá vôi + 1 đất sét.

đổ xi măng vào, kết quả tuyệt vời hơn Từ đó ông giành được quyền sáng chế Đây chính là cội nguồn của các loại bê tông

tấm, xà, ống trong xây dựng và gọi là bê tông ống thép Từ

đây, như chúng ta biết, đã bùng nổ hằng loạt các nhà máy lớn nhỏ với nhiều kiểu lò nung tính năng khác nhau: xi măng đã làm một cuộc cách mạng trong lĩnh vực xây dựng.

2 Phát hiện lí thú

• Trước công nguyên thì người Ai cập cổ dùng mật mía hay nước mía đặc trộn với 1 số chất phụ gia chống lại sự thèm muốn của các loài côn trùng để xây nhà và các kim tự tháp.

• Người Trung Hoa thì dùng mạch nha với thành phần chủ yếu

là tinh bột nóng để xây Một đều thú vị là tuổi thọ của chúng cao hơn ximăng hiện nay rất nhiều.

3 Bí mật về cột trụ xi măng thời tiền sử

• Ở nơi cách Tân Calêdonia 40 hải lý về phía Nam có một

đảo nhỏ gọi là Baien, từ xưa đến nay chưa từng có ai cư

ngụ ở đó Nhưng trên hoang đảo nhỏ này lại có khoảng

400 gò đất kỳ quái Chúng được xây nên từ cát và đá cao

khoảng 2,5-3m, mặt nghiêng khoảng 90m Trên gò đất

không có bất kỳ một loại thực vật nào sinh trưởng, cảnh

vật vô cùng hoang vắng Những người đã từng đến đây

cho rằng, đó là các di chỉ từ thời cổ đại Năm 1960, nhà

khảo cổ học Cheliwa đến hòn đảo nhỏ này tiến hành khai

quật các di chỉ Ông đã khám phá một điều ngoài sức

tưởng tượng, đó là trên 3 di chỉ cổ ở giữa đều có 1 cột trụ

xi măng nằm song song với nhau Những cột trụ này cao

từ 1m đến 2,5m, trong xi măng của cột trụ còn lẫn vỏ ốc,

vỏ sò vỡ Cheliwa vô cùng kinh ngạc bởi ông biết xi măng

mới được phát minh từ thế kỷ XIX cho dù là hỗn hợp đất

đá xám tương tự như xi măng cũng chỉ được người La Mã

cổ đại tìm ra trong khoảng năm 500 đến 600 trước Công

nguyên Ông đã mời những nhà nghiên cứu khoa học đến

để dùng phóng xạ kiểm tra các cột trụ này Trắc nghiệm

đã cho thấy, niên đại của những cột trụ xi măng này

vào khoảng năm 10950 – 5120 trước Công nguyên

Cũng có thể nói, những cột trụ xi măng của đảo Baien

được xuất hiện từ thời kỳ đồ đá, sớm hơn rất nhiều so với

thời đại La Mã cổ.

3 Bí mật về cột trụ xi măng thời tiền sử

• Đảo Tân Calêdonia -

Nouvelle Calédonie ở

phần Tây Nam Thái Bình

Dương là một trong

những đảo lớn nhất của

Nam Thái Bình Dương

Theo ghi chép, năm 1768

người Pháp đã từng đặt

chân đến đây, năm 1774

con tàu mẫu hạm của nhà

hàng hải nổi tiếng người

Anh, James Cook (1729-

1779) đã từng diễu qua

hòn đảo nhỏ này Ông

thấy rừng rậm nơi đây

dày đặc, cây xanh sinh

trưởng khắp nơi, khí hậu

trong lành

Đảo Nouvelle Calédonie

3 Bí mật về cột trụ xi măng thời tiền sử

• Cook cảm thấy cảnh tượng nơi đây vô cùng giống với quê hương mình bèn lấy tên cổ của Scotland là Calédonie thêm chữ Tân (Nouvelle) ở

trước để đặt cho hòn đảo này Bởi vậy, đảo ấy có tên là Tân Calêdonia.

• Cũng có thể nói trước thời gian đó, đảo Tân Calêdonia không có người

cư trú, đây là một vùng hoang vắng nguyên sơ không hề có ánh lửa của con người, ngay cả bây giờ cũng không có ai sống trên hoang đảo Baien này Cho đến năm 1792, người Pháp mới tiến hành khám phá đảo lần đầu tiên, sau này họ biến nơi đây thành nơi lưu đày tội phạm Sau 100 năm, đảo Baien mới được chính thức coi là lãnh địa vĩnh viễn của Pháp

Vậy, ai là người vận dụng kỹ thuật phức tạp làm ra xi măng 5000

trước Công nguyên Chẳng lẽ không có ai trên đảo này làm nên những

cột trụ xi măng ư?Theo phán đoán, phương pháp chế tác đương thời là đắp các gò đất, sau đó rót xi măng vào làm cho đông cứng lại Nhưng xung quanh những cột xi măng này lại không hề có bất cứ dấu tích nào

về hoạt động của con người Bởi vậy, người ta vẫn không có phương pháp nào biết được ai là người chế tạo nên các cột trụ xi măng Có thể nói, những cột trụ xi măng này có tác dụng gì vẫn là một trong những điều khó giải thích trong kho tàng bí mật của nhân loại.

đã có thêm hàng loạt những thương hiệu nổi tiếng như: Xi măng Bỉm Sơn nhãn hiệu Con Voi, xi măng Hoàng Thạch nhãn hiệu con

Sư Tử, xi măng Hà Tiên I,II, Bút Sơn, Hoàng Mai, Tam Điệp, Nghi Sơn, Chinfon…

Cấu tạo, công thức hóa học của XM Portland

+ Xi măng Portland là một hỗn hợp nghiền mịn của clinker, thạch cao:

- Tetracanxi-Alumino-Ferit (4CaO.Al 2 O 3 Fe 2 O 3 ): C 4 AF = 10-18%

Chương III Xi măng

Nguyên liệu sản xuất xi măng

- Đá vôi: yêu cầu thành phần CaCO3 phải chiếm tỷ lệ 75% trở

lên Chỉ dùng loại đá vôi manhêzit thấp, không dùng đá vôi manhêzit và đôlômit vì hai loại này chứa nhiều MgCO3 có hại cho xi măng Theo kinh nghiệm, muốn sản xuất 1 tấn clanhke phải dùng 1,3 tấn đá vôi

- Đất sét: yêu cầu có độ dẻo cao, nghĩa là cấu trúc hạt phải đều và mịn lẫn ít tạp chất, cát sạn… ; phải có hàm lượng SiO2 trong khoảng 50  58%

- Quặng sắt: yêu cầu tỷ lệ Fe2O3 trên 40%

- Thạch cao: yêu cầu hàm lượng CaSO4.2H2O phải trên 80%

- Than đá: Nhiên liệu dùng để nung xi măng phần lớn là than đá Yêu cầu nhiệt lượng của than đá khoảng 5000Kcal/kg than, hàm lượng chất bốc nhỏ hơn 35%, khi đốt không có khói, cho ngọn lửa xanh, lượng tro còn lại phải dưới 10  15% Nên

dùng loại than có màu đen ánh, cứng và mật độ lớn

Công đoạn sản xuất xi măng

Qui trình sản xuất gồm ba giai đoạn chính:

• Chuẩn bị nguyên liệu và phối liệu Nghiền nhỏ các

nguyên liệu và trộn với nhau rất kĩ bằng phương pháp khô hay phương pháp ướt

• Nung phế liệu thành clinke : Nung hỗn hợp đó trong

các lò ngang hoặc lò đứng Lò nung được đốt nóng

bằng dầu mazut hoặc bột than phun vào lò.Sản phẩm thu được ở lò quay là những hạt màu xám gọi là clinke

• Nghiền clinke thành xi măng: Để nguội clinke rồi

nghiền thì được xi măng Muốn cho xi măng không đông cứng quá nhanh để đủ thời gian thao tác như xây, trát,

đổ khuôn,…người ta thêm vào khoảng 2-5 % thạch cao

Hình ảnh nổ mìn phá đá

Hình ảnh khai thác quặng

Quy trình sản xuất xi măng

SẢN XUẤT XI MĂNG POOCLĂNG

Các công đoạn chính trong sản xuất xi măng

SẢN XUẤT XI MĂNG POOCLĂNG

Nghiền xi măng

Làm nguội ckinker Hệ thống đóng gói bao xi măng

Hình ảnh nhà máy xi măng Chinfon - Hải Phòng

Nhà máy xi măng Hải Phòng / Chifon Haiphong Cement Plant

Tại thôn Tràng Kênh, thị trấn Minh Đức, huyện Thủy Nguyên, thành phố Hải Phòng

Công suất

4.000 tấn

Clinker/ngày

Hình ảnh nhà máy xi măng Chinfon - Hải Phòng

Những tính chất chủ yếu đối với các thành phần

khoáng vật

- Khoáng vật C 3 S: tốc độ thủy hóa tương đối nhanh, nhiệt thủy hóa tương đối lớn, ít co thể tích và khả năng phát triển cường độ lớn nhất so với các thành phần khác Vì vậy C 3 S là thành phần khoáng vật quan trọng nhất, chiếm tỷ

lệ cao nhất trong xi măng.

- Khoáng vật C 2 S: tốc độ thủy hóa chậm, nhiệt thủy hóa thấp, ít có thể tích; khả năng phát triển cường độ ở thời gian đầu chậm, về sau nhanh.

- Khoáng vật C3A: tốc độ thủy hóa rất nhanh, nhiệt thủy hóa rất lớn, có thể tích nhiều, ngưng kết rất nhanh, nhưng khả năng phát triển cường độ lại kém nhất trong 4 thành phần khoáng vật.

- Khoáng vật C 4 AF: tốc độ thủy hóa tương đối nhanh, nhiệt thủy hóa trung bình, thể tích co tương đối nhiều, khả năng phát triển cường độ trung bình, nhưng tăng rõ rệt ở thời gian về sau.

Các hệ số chất lượng của xi măng

Ngưng kết và rắn chắc của xi măng pooclăng

1 Thời kỳ hòa tan

Khi trộn xi măng với nước, trên bề mặt các hạt xi măng, các thành phần

khoáng vật chủ yếu C 3 S, C 2 S, C 3 A, C 4 AF của xi măng sẽ tác dụng với

nước theo các phản ứng thủy phân và thủy hóa sau đây:

3CaO.SiO2 + (m +1)H2O  Ca(OH)2 + 2CaO.SiO2.mH2O

2CaO.SiO 2 + mH 2 O 2CaO.SiO 2 mH 2 O

3CaO.Al2O3 + 6H2O  3CaO.Al2O3.6H2O

4CaO.Al2O3.Fe2O3 + nH2O  3CaO.Al2O3.6H2O + CaO.Fe2O3.mH2O

Trong các hợp chất mới tạo thành, có Ca(OH) 2 và 3CaO.Al 2 O 3 6H 2 O là dễ hòa tan nhất, nên tan ngay vào nước, làm xuất hiện lớp xi măng mới tiếp tục tác dụng với nước… rồi tiếp tục hòa tan Lượng nước trong vữa xi măng

có hạn, nên dung dịch nhanh chóng đạt tới trạng thái bão hòa.

Ngưng kết và rắn chắc của xi măng pooclăng

2 Thời kỳ hóa keo

Trong dung dịch đã bão hòa, các thành phần Ca(OH) 2 và 3CaO.Al 2 O 3 6H 2 O tiếp tục sinh ra, nhưng không hòa tan được nữa cùng với các thành phần khác như 2CaO.SiO2.mH2O vốn ít hòa tan đều tồn tại dưới dạng các hạt nhỏ phân tán trong dung dịch tạo thành thể keo phân tán bao quanh các hạt

xi măng Phần xi măng bên trong các hạt tiếp tục thủy phân và thủy hóa, nên chất keo sinh ra ngày càng nhiều Đồng thời với hiện tượng bay hơi nước tự do trong vữa xi măng làm cho các hạt keo phân tán ở trên ngưng

tụ lại thành những hạt lớn hơn và tạo thành thể keo ngưng Thể keo ngưng không ngừng tăng, vữa xi măng mất dần tính dẻo và dần dần trở nên đông đặc, tuy nhiên lúc này vẫn chưa có cường độ.

Ngưng kết và rắn chắc của xi măng pooclăng

3 Thời kỳ kết tinh

Trong thể keo ngưng xuất hiện các mầm kết tinh từ Ca(OH) 2 và

3CaO.Al2O3.6H2O Các mầm kết tinh phát triển dần lên thành các tinh thể cắm vào thể keo ngưng, đan chéo và gắn kết với nhau tạo thành bộ xương cứng làm cho vữa xi măng bắt đầu có cường độ.

Nước tự do bay hơi nên ngày càng ít đi Số lượng tinh thể ngày càng nhiều lên,

do đó cường độ xi măng dần tăng lên rõ rệt.

Thành phần 2CaO.SiO 2 mH 2 O tồn tại ở thể keo khá lâu, dần chuyển sang kết tinh, làm cho cường độ xi măng tăng lên ở thời gian về sau.

Các hiện tượng hòa tan, hóa keo và kết tinh của vữa xi măng xảy ra xen kẽ, nối tiếp lẫn nhau, trong khi có một số đã kết tinh thì vẫn có một số đang ở thể keo, một số mới bắt đầu tác dụng với nước Cứ thế nối tiếp, diễn ra cho đến khi toàn bộ các hạt xi măng thủy phân và thủy hóa hết.

Thực nghiệm chứng tỏ rằng hàng chục năm vẫn còn những hạt xi măng đang tiếp tục thủy phân và thủy hóa.

Ngoài các quá trình trên, quá trình cacbônat hóa của thành phần Ca(OH) 2 cũng góp phần tăng thêm sự rắn chắc của vữa xi măng.

21 40

31 50

15 2500

12 2800

3 Thời gian đông kết,

- Bắt đầu, phút, không sớm hơn:

- Kết thúc, giờ, không muộn hơn:

45 10

Chất lượng của xi măng pooc lăng đối với từng mỏc

được quy định theo bảng sau:

Xi măng pooclăng - phõn loại

+ Xi măng đ−ợc phân loại theo các đặc tính sau: (TCVN

Xi măng đ−ợc phân loại theo các đặc tính sau:

(TCVN 5439-1991)

• Theo loại clanhke và thành phần được phân ra:

- Xi măng trên cơ sở clanhke xi măng poóclăng

+ Xi măng poóclăng (không có phụ gia khoáng)

+ Xi măng poóclăng có phụ gia (với tỉ lệ phụ gia khoáng hoạt tính không lớn hơn 20%)

+ Xi măng poóclăng xỉ (với tỉ lệ phụ gia xỉ hạt lớn hơn 20%)+ Xi măng poóclăng pudôlan (với tỉ lệ phụ gia pudôlan lớn hơn 20%)

- Xi măng trên cơ sở clanhke xi măng alumin

+ Xi măng alumin có hàm lượng Al2O3 lớn hơn 30% và nhỏ hơn 60%

+ Xi măng giàu alumin có hàm lượng Al2O3 từ 60% trở lên

Xi măng đ−ợc phõn loại theo cỏc đặc tớnh sau:

Từ 50 trở lên

Từ 30 đến nhỏ hơn 50Nhỏ hơn 30

Xi măng đ−ợc phân loại theo các đặc tính sau:

(TCVN 5439-1991)

- Theo tốc độ đóng rắn xi măng trên cơ sở clanhke xi măng

poóclăng được phân ra

+ Loại đóng rắn bình thường và chậm: khi độ bền chuẩn đạt được sau 28 ngày đêm

+ Loại đóng rắn nhanh: khi độ bền sau 3 ngày đêm đạt được không dưới 55% của độ bền tiêu chuẩn sau 28 ngày đêm;

- Theo thời gian đông kết xi măng được phân ra

+ Đông kết chậm: khi thời gian bắt đầu đông kết quy định trên

Xi măng đ−ợc phân loại theo các đặc tính sau:

+ Độ toả nhiệt (với độ toả nhiệt chuẩn của xi măng)

+ Tính chất trang trí (với độ trắng hoặc màu theo mẫu chuẩn).+ Tính chất phun, trám (theo nhưng chỉ tiêu chất lượng, chỉ tiêu này xác định sự thích hợp của xi măng trong việc phun, trám các giếng dầu khí và các giếng khác)

Xi măng pooclăng - phõn loại

Theo tiêu chuẩn của Mỹ ASTM C150 - 94, Xi măng poóclăng được phân thành 8 loại như sau:

• Loại I: Xi măng thường khi không có yêu cầu đặc biệt.

• Loại IA: Như loại I, nhưng có khả năng cuốn khí.

• Loại II: Xi măng dùng trong trường hợp chung, nhưng có khả

năng bền sunfat vừa và nhiệt thủy hoá vừa

• Loại IIA: Như loại II, nhưng có thêm yêu cầu cuốn khí.

• Loại III: Dùng trong trường hợp yêu cầu cường độ ban đầu

cao

• Loại IIIA: Như loại III, nhưng có thêm yêu cầu cuốn khí.

• Loại IV: Dùng trong trường hợp yêu cầu nhiệt thủy hoá thấp.

• Loại V: Dùng trong trường hợp yêu cầu độ bền sunfat cao.

Xi măng pooclăng - phõn loại

Ngoài ra Mỹ cũng có những loại xi măng đặc biệt

khác (theo ASTM C595 - 92a):

20 chủng loại xi măng và công nghệ sản xuất

Tác giả: PGS.TS Hoàng Văn Phong

Nhà xuất bản: Khoa học và kỹ thuật Năm 2006 Số trang: 171

• 1 Xi măng Portland thông dung PC

2 Xi măng Portland hỗn hợp PCB

3 Xi măng Portland - puzolan PCpu

4 Xi măng Portland - xỉ lò cao

5 Xi măng Portland bền sunphat

6 Xi măng Portland toả nhiệt ít PC LH

7 Xi măng Portland mác cao

8 Xi măng Portland đóng rắn nhanh

9 Xi măng Portland giãn nở

10 Xi măng trắng và xi măng màu

11 Xi măng Portland dàmh cho xeo tấm lợp

uốn sóng amiăng - xi măng

12 Xi măng Portland cho bê tông

mặt đường bộ và sân bay

13 Xi măng alumin CA

14 Xi măng chống phóng xạ

15 Xi măng giếng khoan dầu khí

16 Xi măng sunphua belit nhôm

17 Xi măng chịu axit

18 Xi măng manhê và xi măng dolomi

19 Xi măng Romans

20 Xi măng chịu lửa siêu cao

Ảnh hưởng của xi măng đến các tính chất của

Sự nứt nẻ do nhiệt

• Nhiệt thủy hoá, cal/g (KJ/kg);

C3S: 120 (502); C2S: 62 (259);

C3A: 207 (865); C4AF: 100 (418);

CaO (vôi tự do): 279 (1166)

• Đối với các công trình bê tông khối lớn, nên dùng loại xi măng

có nhiệt thủy hoá thấp (nhiệt thủy hoá sau 7 ngày  60

Cal/g), nếu không có thể dùng xi măng có nhiệt thủy hoá vừa

(nhiệt thủy hoá sau 7 ngày  70 Cal/g), hoặc nếu không có

phải pha thêm phụ gia khoáng vào trong xi măng poóclăng để

hạ thấp nhiệt thủy hoá

Tính dễ đổ

• Xi măng là thành phần nhỏ nhất trong bê tông, nên lượng xi măng trong hỗn hợp bê tông có tác dụng lớn đối với độ dẻo và tính dễ đổ của hỗn hợp bê tông Hỗn hợp bê tông ít xi măng (bê tông gầy) kém dẻo, khó đổ và khó hoàn thiện Hỗn hợp bê tông nhiều xi măng (bê tông béo) sẽ có tính dính, dẻo và dễ đổ hơn Tuy nhiên hỗn hợp bê tông quá béo sẽ dính nhiều, lại khó thi công

• Độ mịn của xi măng cũng ảnh hưởng đến tính dễ đổ của bê

tông, nhưng ít hơn ảnh hưởng của hàm lượng xi măng Hàm lượng xi măng ít cũng làm cho tính dính kết kém, tiết nước

nhiều và phân tầng Độ mịn của xi măng tăng lên, làm cho hỗn hợp dính kết tốt hơn, giảm lượng nước yêu cầu để đạt được độ sụt đã cho, dẫn đến giảm phân tầng và tiết nước