Bài viết này trình bày một số kết quả nghiên cứu ảnh hưởng của hỗn hợp phụ gia gồm muội cacbon, triisopropanol amin và đá vôi siêu mịn đến cường độ sớm của xi măng pooclăng. Các hỗn hợp phụ gia sử dụng với hàm lượng nhỏ (dưới 5% khối lượng so với xi măng), có thể tăng cường độ sớm của đá xi măng lên từ 10 - 30%.
Trang 16 T„P CHŠ KHOA H“C KI¦N TR”C - XŸY D¼NG
Ảnh hưởng của muội cacbon,
Triisopropanol amin và đá vôi siêu mịn
đến cường độ sớm của xi măng Pooclăng
Effects of carbon black, Triisopropanolamine and ultrafine limestone powder on early strength of Portland cement
Tạ Ngọc Dũng, Phạm Thanh Mai
Tóm tắt Bài viết này trình bày một số kết quả
nghiên cứu ảnh hưởng của hỗn hợp phụ
gia gồm muội cacbon, triisopropanol
amin và đá vôi siêu mịn đến cường độ
sớm của xi măng pooclăng Các hỗn
hợp phụ gia sử dụng với hàm lượng nhỏ
(dưới 5% khối lượng so với xi măng), có
thể tăng cường độ sớm của đá xi măng
lên từ 10 - 30%.
Từ khóa: xi măng, muội cacbon, đá vôi siêu
mịn, triisopropanol amin, cường độ sớm
Abstract
This paper presents some results about the
effect of carbon black, triisopropanolamine,
and ultrafine limestone powder on the
development of early strength of Portland
cement With a small amount of additives
(under 5% by mass of cement), early strength
of Portland cement can be increased about
10 - 30%.
Keywords: cement, carbon black,
triisopropanolamine, ultrafine limestone
powder, early strength
PGS.TS Tạ Ngọc Dũng
Viện Kỹ thuật hóa học, Trường Đại Học
Bách Khoa Hà Nội
Email: dung.tangoc@hust.edu.vn
ThS Phạm Thanh Mai
Khoa Xây dựng, Trường Đại học Kiến
Trúc Hà Nội
Email: phamthanhmai489@gmail.com
1 Đặt vấn đề
Vấn đề nghiên cứu nâng cao cường độ của xi măng pooclăng, đặc biệt là cường
độ ở tuổi sớm, tuy không mới nhưng vẫn luôn thu hút sự quan tâm của các nhà khoa học, các nhà sản xuất Trong đó, tác động bằng cách sử dụng các phụ gia luôn là một giải pháp mang lại hiệu quả cao, được áp dụng rộng rãi tại các nhà máy, đồng thời là một không gian kiến thức rộng để các nhà khoa học tiếp tục nghiên cứu
Trong các nghiên cứu trước, nhóm nghiên cứu đã chứng tỏ được khả năng tăng cường độ sớm của đá xi măng khi sử dụng phụ gia, cụ thể như sau:
+ Phụ gia muội cacbon (C) với kích thước nano ở dải tỷ lệ 0 - 0,010% khối lượng
so với xi măng, kết quả thu được cho thấy cường độ sớm của đá xi măng tăng ở các ngày tuổi 1, 3, 7 ngày, mức tăng cao nhất đạt được ở mẫu sử dụng 0,002% muội cacbon (1)
+ Phụ gia TIPA cho kết quả tăng cường độ đá xi măng đạt được ở 3 và 7 ngày tuổi, cường độ cao nhất đạt được khi sử dụng 0,02% TIPA; tuy nhiên, ở 1 ngày tuổi, tác động của TIPA thể hiện chưa rõ (2)
Bên cạnh đó, một trong những phụ gia khoáng cho xi măng đã được nghiên cứu
sử dụng từ lâu và được dùng phổ biến tại các nhà máy là đá vôi Hơn nữa, khi nghiền
đá vôi đến kích thước mịn và siêu mịn dùng làm phụ gia cho xi măng cũng cho hiệu quả tốt Các kết quả nghiên cứu trước đó đã chứng tỏ việc sử dụng đá vôi với kích thước mịn và siêu mịn làm phụ gia khi nghiền cùng clanhke ở tỷ lệ 1 - 3% [3]; khi trộn trực tiếp với xi măng PC ở tỷ lệ 5 - 20% [4]; khi trộn trực tiếp với xi măng PCB ở tỷ lệ
5 - 15% [5] đều có tác động làm tăng cường độ của đá xi măng
Kết hợp với các kết quả nghiên cứu lý thuyết, nhóm nghiên cứu rút ra một số nhận xét và đưa ra các nội dung nghiên cứu tiếp theo như sau:
+ Kết hợp 2 loại phụ gia TIPA và muội cacbon để kiểm tra tác động của hỗn hợp phụ gia này đến cường độ sớm của xi măng pooclăng
+ Nhận thấy, trong điều kiện thường muội cacbon ở kích thước nano rất dễ bị vón lại, dẫn đến việc phân tán muội cacbon (C) hay hỗn hợp TIPA – C trong xi măng là rất khó, nhóm nghiên cứu đã nghĩ đến việc dùng một phụ gia khác đưa vào cùng hỗn hợp TIPA – C để phân tán tốt hơn HHPG này trong xi măng, không ảnh hưởng xấu đến cường độ xi măng, để đạt được mục tiêu nâng cao cường độ sớm của đá xi măng Do
đó, nhóm nghiên cứu sử dụng thêm đá vôi siêu mịn nghiền cùng hỗn hợp TIPA – C để phân tán tốt hơn hỗn hợp này trong xi măng Đồng thời khảo sát ảnh hưởng của hỗn hợp phụ gia đá vôi siêu mịn – TIPA – C đến cường độ sớm của xi măng pooclăng và tìm ra hàm lượng HHPG cho kết quả tốt nhất trong dải hàm lượng nghiên cứu
Vì vậy, bài viết này sẽ trình bày một số kết quả nghiên cứu ảnh hưởng hỗn hợp phụ gia muội cacbon – TIPA và hỗn hợp phụ gia muội cacbon – TIPA – đá vôi siêu mịn đến cường độ sớm của xi măng pooclăng
2 Vật liệu và phương pháp nghiên cứu
2.1 Vật liệu thí nghiệm
2.1.1 Xi măng Pooclăng Nghiên cứu này sử dụng xi măng pooclăng có được bằng cách nghiền clanhke xi măng Bút Sơn với thạch cao Lào trong máy nghiền bi của phòng thí nghiệm
(1) Triisopropanol amin (2) Hỗn hợp phụ gia
Trang 2S¬ 27 - 2017
Bảng 7: Hàm lượng hỗn hợp phụ gia sử dụng
M1
D:T:C = 988:10:2
1
Thành phần khoáng, thành phần hóa của clanhke xi măng Bút Sơn (Bảng 1, 2)
2.1.2 Muội cacbon (C)
Sử dụng muội cacbon của Trung Quốc với các đặc tính như trong bảng 3, 4
2.1.3 Triisopropanol amin (TIPA) TIPA dạng chất lỏng không màu, là hỗn hợp của 85% TIPA với 15% nước cất
Các đặc tính của TIPA như bảng 5
2.1.4 Đá vôi siêu mịn
Đá vôi siêu mịn có thành phần hạt như bảng 6
2.2 Phương pháp nghiên cứu
Hỗn hợp phụ gia muội cacbon (C) và TIPA (T) được trộn
và phân tán trong nước trên máy khuấy từ trước khi sử dụng
để đảm bảo độ phân tán tốt khi đưa vào trộn trực tiếp với xi măng
Phụ gia đá vôi siêu mịn (D), muội cacbon và TIPA được nghiền siêu mịn trong máy nghiền hành tinh rồi đưa vào trộn đều với xi măng
Bảng 1: Thành phần hóa của clanhke xi măng
Thành phần, % khối lượng
Bảng 2: Thành phần khoáng của clanhke xi măng
Thành phần, % khối lượng
Bảng 3: Đặc tính của muội cacbon
Công thức phân tử C
Khả năng hòa tan Không tan trong nước Giá trị pH > 7 [50g/l nước; 68 0F (20 0C)]
Kích thước hạt 28 – 36 nm
Bảng 4: Thành phần hóa của muội cacbon
Thành phần, % khối lượng
Bảng 5: Đặc tính của TIPA
Công thức phân tử [CH3CH(OH)CH2]3N
Bảng 6: Phân bố cỡ hạt của đá vôi siêu mịn
Hình 1 Thành phần hạt của đá vôi siêu mịn
Trang 38 T„P CHŠ KHOA H“C KI¦N TR”C - XŸY D¼NG
Tài liệu tham khảo
1 Tạ Ngọc Dũng, Nguyễn Văn Hoàn, Trần Tử Hùng, Nguyễn Thị
Hoàn (2013) Phụ gia siêu mịn cải thiện cường độ sớm của
đá xi măng Hà Nội: Hội nghị Khoa học kỷ niệm 50 năm ngày
thành lập Viện KHCN Xây dựng.
2 Pham Thanh Mai, Ta Ngoc Dung (2014) The effects of
triisopropanolamine (TIPA) on the development of early strength
of Portland cement Hanoi: Journal of Science & Technology
Technical Universities.
3 Võ Nguyên Hùng (2013) Nghiên cứu ảnh hưởng của kích thước
hạt phụ gia khoáng đến một số tính chất của xi măng pooclăng
Hà Nội: Luận văn thạc sỹ Đại học Bách khoa Hà Nội.
4 Nguyễn Trần Sơn, Trần Duy Quý (2009) Nghiên cứu ảnh hưởng
của phụ gia đá vôi mịn và siêu mịn đến một số tính chất của xi măng Hà Nội: Đồ án tốt nghiệp Đại học Bách khoa Hà Nội.
5 Nguyễn Mạnh Tường (2005) Nghiên cứu khả năng sử dụng bột đá vôi siêu mịn làm phụ gia khoáng hoạt tính cho xi măng pooclăng hỗn hợp Hà Nội: Luận văn thạc sỹ Đại học Bách khoa
Hà Nội.
6 Soroka, N Stern (1975) Calcareous fillers and the compressive strength of Portland cement Cement and concrete research Vo1.6, pp 367-376, 1976 Pergamon Press, Inc Printed in the United States
7 Phạm Thanh Mai (2014) Khảo sát khả năng nâng cao cường
độ sớm của xi măng pooclăng Hà Nội: Luận văn thạc sỹ khoa học Đại học Bách khoa Hà Nội.
Khảo sát ảnh hưởng của các hỗn hợp phụ gia với hàm
lượng khác nhau đến cường độ sớm của đá xi măng để tìm
ra hàm lượng hỗn hợp phụ gia có ảnh hưởng tốt nhất
Hàm lượng hỗn hợp phụ gia sử dụng
3 Kết quả và thảo luận
3.1 Ảnh hưởng của hỗn hợp phụ gia TIPA – muội cacbon
đến cường độ sớm của xi măng
Kết quả nghiên cứu ảnh hưởng của hàm lượng hỗn hợp
phụ gia muội cacbon và TIPA đến cường độ sớm của đá xi
măng được thể hiện trong bảng 8:
Kết quả cho thấy cường độ nén của các mẫu ở các tuổi 1,
3, 7 ngày đều tăng so với mẫu kiểm chứng (mẫu M0a), mức
tăng mạnh nhất đạt được ở các mẫu sử dụng 0,024% hỗn
hợp phụ gia trong thành phần (mẫu HH2)
3.2 Ảnh hưởng của hỗn hợp phụ gia đá vôi siêu mịn – TIPA
– muội cacbon đến cường độ sớm của xi măng
Kết quả nghiên cứu ảnh hưởng của hàm lượng hỗn hợp
phụ gia đá vôi siêu mịn, muội cacbon và TIPA đến cường độ
sớm của đá xi măng được thể hiện trong bảng 9
Kết quả cho thấy cường độ nén của các mẫu có hỗn hợp
phụ gia ở tuổi 1, 3, 7 ngày đều tăng so với mẫu kiểm chứng
(mẫu M0b); ở các tỷ lệ HHPG khác nhau (từ 1 - 3%), cường
độ các mẫu tăng và tăng mạnh nhất ở mẫu sử dụng 2% hỗn
hợp phụ gia trong thành phần (mẫu M2)
Qua đó có thể thấy rõ hiệu quả tăng cường độ đá xi măng
khi sử dụng kết hợp các phụ gia đá vôi siêu mịn, TIPA và
muội cacbon có kích thước nano Như vậy, đá vôi siêu mịn
đã thể hiện tốt vai trò phân tán hỗn hợp TIPA – C; đồng thời
nó cũng thể hiện tác dụng vi cốt liệu và cùng với muội cacbon
tạo các tâm kết tinh cho các sản phẩm hydrat hóa, tạo điều
kiện thuận lợi cho sự hình thành và phát triển các tinh thể hydrat, lấp đầy lỗ rỗng giữa các hạt xi măng chưa thủy hóa hết, tạo cấu trúc đặc chắc cho đá xi măng Mặt khác, các hạt
đá vôi siêu mịn sẽ phản ứng với Ca(OH)2 tạo ra trong quá trình thủy hóa xi măng, làm dịch chuyển cân bằng phản ứng nên chỉ còn một lớp vỏ mỏng bao phủ trên bề mặt các hạt
C3S giúp sự khuếch tán ion qua lớp vỏ mỏng này xảy ra dễ dàng, thúc đẩy tốc độ hydrat hóa các khoáng; đồng thời các hạt đá vôi siêu mịn phản ứng với Ca(OH)2 tạo thành hydro cacbohydroxit canxi CaCO3.nCa(OH)2.mH2O [6] cũng đóng vai trò là mầm kết tinh dị thể, giúp xi măng đóng rắn nhanh
và tăng cường độ sớm của đá xi măng Đồng thời, TIPA có khả năng phản ứng với sắt từ khoáng C4AF tạo phức Fe(III)-TIPA, giúp phá vỡ lớp bảo vệ giàu Fe(III) bởi sự chuyển dịch
Fe3+, tạo điều kiện để các khoáng khác trong clanhke thủy hóa sớm hơn, giúp tăng cường độ của xi măng [2,7]
4 Kết luận
Hỗn hợp phụ gia muội cacbon, TIPA giúp tăng cường độ sớm của đá xi măng, hiệu quả tăng cường độ cao nhất đạt được khi sử dụng 0,024% hỗn hợp phụ gia trong thành phần (mẫu HH2) với mức tăng cường độ là 19,16% ở 1 ngày tuổi, 14,72% ở 3 ngày tuổi và 26,40% ở 7 ngày tuổi khi so sánh với mẫu kiểm chứng (mẫu Moa)
Hỗn hợp phụ gia muội cacbon, TIPA và đá vôi siêu mịn giúp tăng cường độ sớm của đá xi măng, hiệu quả tăng cường độ rõ rệt khi sử dụng 2% hỗn hợp phụ gia trong thành phần (mẫu M2) với mức tăng cường độ là 20,88% ở 1 ngày tuổi, 24,33% ở 3 ngày tuổi và 8,91% ở 7 ngày tuổi khi so sánh với mẫu kiểm chứng (mẫu Mob)
Các kết quả nghiên cứu đã cho thấy hiệu quả rõ rệt khi
sử dụng hỗn hợp các phụ gia và tìm ra tỷ lệ hiệu quả đối với từng hỗn hợp phụ gia trong nghiên cứu này./
Bảng 8: Cường độ của mẫu xi măng sử dụng HHPG
và biến đổi cường độ so với mẫu kiểm chứng (Δ)
Mẫu HHPG, %
Kết quả cường độ nén các mẫu
HH1 0,022 57,58 116,62 69,50 100,60 87,25 116,85
HH2 0,024 58,83 119,16 79,25 114,72 94,38 126,40
HH3 0,026 57,08 115,61 72,88 105,49 85,33 114,29
HH4 0,028 54,83 106,15 66,68 104,08 84,17 107,99
Mức tăng tối
Bảng 9: Cường độ của mẫu xi măng sử dụng HHPG
và biến đổi cường độ so với mẫu kiểm chứng (Δ)
Ký hiệu mẫu
HHPG,
%
Cường độ, MPa, tuổi
MPa Δ, % MPa Δ, % MPa Δ, %
Mức tăng tối