CHẤT KẾT DÍNH VÔ CƠ vật liệu xây dựng

Khả năng tự rắn chắc và chuyển sang trạng thái đá của các chất kết dính vô cơ người ta thường sử dụng chúng để gắn các loại vật liệu rời rặc cát, đá, sỏi thành một khối đồng nhất như tro

Chương 4

CHẤT KẾT DÍNH VÔ CƠ 4.1 Khái niện chung

4.1.1 Khái niệm.

Chất kết dính vô cơ là một loại vật liệu thường ở dạng bột, khi nhào trộn với nước có cho một loại hồ dẻo Sau đó dưới quá trình thuỷ hoá nó có khả năng tự rắn chắc và chuyển sang trạng thái đá

Khả năng tự rắn chắc và chuyển sang trạng thái đá của các chất kết dính vô cơ người ta thường sử dụng chúng để gắn các loại vật liệu rời rặc (cát, đá, sỏi) thành một khối đồng nhất như trong công nghệ chế tạo bê tông, gạch silicat, vữa xây dựng, các loại vật liệu đá nhân tạo không nung và các sản phẩm xi măng amiăng

4.1.2 Phân loại.

Chất kết dính vô cơ được chia làm 3 loại tuỳ theo điều kiện rắn chắc:

1) Chất kết dính rắn trong không khí

Có khả năng rắn chắc và giữ được cường độ lâu dài trong môi trường không khí

Tuỳ theo thành phần hoá học mà chia làm 4 nhóm:

- Vôi rắn trong không khí (thành phần chủ yếu là CaO)

- Chất kết dính manhê (thành phần chủ yếu là MgO)

- Chất kết dính thạch cao (thành phần chủ yếu là CaSO4)

- Thuỷ tinh lỏng - silicat natri hoặc kali (Na2O.nSiO2 hoặc K2O.mSiO2) ở dạng lỏng

4.1.2.1 Chất kết dính rắn ttrong nước

Có khả năng rắn chắc và giữ được cường độ lâu dài không những trong môi trường không khí mà cả trong nước

Thành phần hoá học: Chất kết dính rắn trong nước là một hệ thống phức tạp bao gồm chủ yếu các liên kết của 4 oxýt: CaO – SiO2 – Al2O3 – Fe2O3

Các liên kết đó hình thành ra 3 nhóm chất kết dính chủ yếu sau:

- Xi măng silicát: khoáng chủ yếu là canxi (đến 75%) Trong nhóm gồm có ximăng pooclăng và các chủng loại của nó

- Ximăng aluminat: aluminat canxi là các khoáng chủ yếu của nó Thường là ximăng gắn nhanh

- Vôi thuỷ và xi măng la mã

4.1.2.2 Chất kết dính rắn trong octocla:

Gồm những chất có khả năng rắn trong môi trường hơi nước bão hoà để hình thành lên “đá ximăng”

Octocla là một thiết bị đặc biệt tạo ra môi trường có nhiệt độ cao (150 - 200°C) và áp suất lớn trong điều kiện hơi nước bão hoà

Ở điều kiện thường chỉ có CaO đóng vai trò kết dính, nhưng trong điều kiện otocla thì một

số chất kết dính có khả năng được rắn chắc tạo thành đá ximăng, thành phần hoá học CaO – SiO2

Do điều kiện nhiệt độ áp suất trong octocla, một số khoáng mới có chất lượng cao được hình hành trên cơ sở tác động của oxit canxi và oxit silic

4.1.2.3 Mođun thuỷ lực:

Các chất kết dính vô cơ (CKDVC) là hệ thống liên kết của 4 oxit chủ yếu: CaO – SiO2 – Al2O3 – Fe2O3 Trong đó hàm lượng CaO có ảnh hưởng quan trọng tới tính chất của chất kết dính

Mođun thuỷ lực m đặc trưng bằng tỷ số giữa hàm lượng oxyt canxi và tổng các oxyt axit:

3 2 3

2

%

%

O Fe O

Al SiO

CaO m

+ +

=

(4-1)

Mỗi chất kết dính có mođun thuỷ lực khác nhau, cao nhất là vôi m > 9 (vôi rắn trong không khí); vôi thuỷ m = 1,7 – 9; ximăng lamã m < 1,7; ximăng poolăng m = 1,9 – 2,4

4.2 Vôi rắn trong không khí.

4.2.1 Nguyên liệu và quá trình sản xuất.

Nguyên liệu: Đá giàu khoáng canxi (CaCO3), đá phấn, đá vôi, đá vơi - đôlômit, đá đôlômit, hay dùng nhất là đá vôi đặc chắc

Để chế tạo vôi yêu cầu hàm lượng sét không lớn hơn 6%

Quá trình sản xuất: Thức chất là thực hiện phản ứng:

CaCO3 →T O CaO + CO2↑ (4-2)

(Sản phẩm của quá trình nung ngoài CaO còn có MgO hình thành do sự phân giải MgCO3) Nhiệt độ nung vôi: Đây là phản ứng thu nhiệt và bắt đầu xảy ra ở nhiệt độ 600°C, khi nhiệt

độ càng tăng thì phản ứng xảy ra càng mạnh Về lý thuyết ở nhiệt độ 900°C thì vôi có chất lượng tốt nhất, nhưng phản ứng nung vôi là phản ứng xảy ra từ ngoài vào trong (phản ứng bề mặt) nên ở nhiệt độ 900°C thì lớp trong nguyên liệu không đủ chín, sinh ra hiện tượng non lửa Để tránh hiện tượng non lửa ta tăng nhiệt độ đến 1200°C Nhưng nếu nhiệt độ > 1200°C thì CaO sau khi sinh ra

sẽ tác dụng với tạp chất sét tạo thành màng keo silicat và aluminat canxi cứng bọc lấy hạt vôi làm vôi khó thuỷ hoá khi tôi, khi dùng trong kết cấu nó hút ẩm tăng thể tích gây nứt, rỗ và hạt đó gọi

là hạt già lửa Các hạt vôi già lửa và non lửa gọi chung là hạt sượng làm hồ vôi kém dẻo, có nhiều hạt sạn đá

Để tránh hiện tượng trên thì kích thước đá phải to vừa phải thường là 8 – 20cm, các cục đá đồng đều Khi nung vôi phải thông thoáng lò để khí cacbonic bay ra, đây là phản ứng thuận nghịch nên phản ứng thuận sẽ mạng hơn và chất lượng tốt hơn Tuỳ vào laọi lò mà ta có thể tăng kích thước đá nung hay nhiệt độ nung

4.2.2 Phản ứng vôi tôi.

Vôi tôi là thực hiện sự thuỷ hoá oxýt canxi:

CaO + H2O = Ca(OH)2 + Q (4-3)

Các hạt Ca(OH)2 vô cùng mịn được bao bọc xung quanh một màng nước hấp phụ mỏng, màng nước này quyết định tính dẻo của hỗn hợp vôi – cát

Lượng nước tôi vôi: cần thiết để biến CaO thành Ca(OH)2 là 32,14% Nhưng do nhiệt độ tăng cao làm phát sinh phản ứng thuận nghịch và nước bay hơi đi nhiều nên người ta phải dùng lượng nước khá lớn 70%

Phương pháp tôi vôi:

- Tôi trong hố: đơn giản, dễ làm nhưng mất thời gian dài mới dùng được (1 tháng)

- Dùng máy tôi vôi: có thể rút ngắn thời gian còn 3 – 4 ngày, tăng chất lượng vôi tôi

4.2.3 Các dạng sử dụng vôi.

Vôi được sủ dụng ở hai dạng:

- Vôi chín: đã tôi xong;

- Bột vôi sống: bột vôi chưa tôi

4.2.3.1 Vôi chín:

Là vôi được tôi trước khi dùng, có thành phần chính là Ca(OH)2 Có 3 loại vôi chín thường gặp:

- Bột vôi chín: 100% là Ca(OH)2

- Vôi nhuyễn: 50% Ca(OH)2 và 50% nước

- Vôi sữa: có ít hơn 50% Ca(OH)2 và hơn 50% nước

Trong xây dựng thường dùng chủ yếu là vôi nhuyễn và vôi sữa, còn bột vôi chín hay dùng trong y học và nông nghiệp

4.2.3.2 Bột vôi sống

Là vôi được nghiền mịn trước khi sử dụng (hơn 90% hạt lọt qua sàng 4900 lỗ/cm2) Có khả năng rắn chắc nhanh và có cường độ cao hơn vôi chín do tận dụng được nhiệt lượng toả ta khi tôi

để tạo ra phản ứng silicat , loại bỏ được các hạt non lửa và già lửa, không mất thời gian tôi

Nhưng khó bảo quản, tốn thiết bị nghiền, bụi vôi có ảnh hưởng đến sức khoẻ

4.2.4 Quá trình rắn chắc của vôi.

Vôi được sử dụng chủ yếu trong vữa Trong không khí vữa vôi rắn chắc lại do ảnh hưởng đồng thời của hai quá trình chính:

- Sự mất nước của vữa làm Ca(OH)2 chuyển dần từ trạng thái keo sang nhưng keo và kết tinh Các tinh thể xích lại gần nhau rồi liên kết với nhau

- Cacbonat hoá vôi dưới sự tác dụng của khí cacbonic trong không khí:

Ca(OH)2 + CO2 → CaCO3 + H2O (4-4)

CaCO3 hình thành xen kẽ với các tinh thể Ca(OH)2 làm cho vữa đặc chắc

Khi sử dụng vôi tổ hợp với silicat vô định hình (SiO2 hoạt tính) thì ngoài hai quá trình trên, vữa còn rắn chắc do quá trình silicat hoá

Ca(OH)2 + SiO2 (vô định hình) → nCaO.mSiO2.pH2O (4-5)

(hyđrô silicat canxi)

Hyđrô silicat canxi mới tạo thành là khoáng mới có cường độ cao làm cho vữa vôi có chất lượng tốt hơn

4.2.5 Các chỉ tiêu đánh giá chất lượng vôi.

Chất lượng vôi càng tốt khi hàm lượng CaO càng cao Để đánh giá chất lượng của vôi người

ta dùng chỉ tiêu sau:

Độ hoạt tính của vôi x(%) là tỷ lệ của CaO + MgO có trong vôi, được xác định bằng phương pháp chuẩn Nếu lượng axit ClH dùng để chuẩn có nồng độ 1M là v (cm3) và khối lượng vôi đem thí nghiệm là g (gam) thì:

% 100 02804 , 0

g

v

Vôi có hoạt tính cao khi x  80%

Tốc độ tôi và nhiệt độ tôi

Tốc độ tôi là thời gian (ph) từ khi cho một lượng vôi tác dụng với một lượng nước nhất định đến khi đạt được nhiệt độ cao nhất

Nhiệt độ tôi là nhiệt độ cao nhất đạt được trong quá trình tôi vôi (°C)

Vôi có cấu trúc hợp lý và độ hoạt tính lớn (nhiều CaO) thì sẽ có tốc độ tôi nhanh và nhiệt độ tôi cao

Sản lượng vôi: là lượng vôi nhuyễn (l) do 1 kg vôi sống sinh ra Khi độ hoạt tính của vôi lớn thì lượng vôi nhuyễn (có độ dẻo tiêu chuẩn) sinh ra càng nhiều (thể tích vôi tăng từ 1,5 đến 3 lần) Lượng hạt sượng: là hạt không bị tôi, còn lại trên sàng NO63 (124 lỗ/cm2) sau khi sàng vôi nhuyễn trong nước Bảng chỉ tiêu/SGK

4.2.6 Công dụng và cách bảo quản vôi.

Công dụng: Vôi được sử dụng nhiều nhất để chế tạo vữa xây, vữa trát và vữa trang trí Ngoài ra, nó được dùng để sản xuất chất kết dính hỗn hợp, vật liệu silicat

Bảo quản:

Việc bảo quản vôi sống tương tự như xi măng, ngăn tiếp xúc với môi trường ẩm, tránh áp lực cao

Còn vôi nhuyễn được bảo quản trong hố ngập nước hoặc không thì duy trì nước trong thời gian đầu rồi dùng nilông phủ kín để tránh hiện tượng cacbonat hoá

4.3 Thạch cao.

4.3.1 Khái niệm:

Thạch cao là chhát rắn trong không khí, boa gồm chủ yếu là thạch cao nửa phân tử nước hoặc anhyđrit, được chế tạo bằng cách nung và nghiền liệu

Nguyên liệu để chế tạo chất kết dính thạch cao (CKDTC) là khoáng thạch CaSO4.2H2O, anhyđrit và thải phẩm công nghiệp

CKDTC được chia thành hai nhóm:

- Thạch cao nung ở nhiệt độ thấp (150 - 160°C): là thạch cao xây dựng và thạch cao cường

độ thấp

- Thạch cao nung ở nhiệt độ cao (700 - 1000°C): là thạch cao estric và xi măng anhyđrit.

4.3.2 Thạch cao xây dựng.

Thạch cao xây dựng được sản xuất từ đá thạch cao bằng cách nung ở nhiệt độ 150 - 160°C

để khử bớt một phần nước

CaSO4.2H2O →t O CaSO4.0,5H2O + 1,5H2O (4-7)

Thạch cao xây dựng với nước chỉ cho hỗn hợp dẻo, sau quá trình rắn chắc thì biến thành đá, phản ứng xảy ra rắn chắc:

CaSO4.0,5H2O + 1,5H2O → CaSO4.2H2O (4-8)

Độ tan của CaSO4.2H2O nhỏ hơn độ tan của CaSO4.0,5H2O 5 lần nên hàm lượng CaSO4.2H2O tăng dần, lượng nước lại mất dần Vì vậy hỗn hợp dẻo chuyển dần sang trạng thái keo rồi sang kết tinh và rắn chắc

Thời gian bắt đầu ninh kết: là thời gian kể từ khi nhào trộn thạch cao với nước cho đến lúc

nó mất tính dẻo

Thời gian kết thúc ninh kết: là thời gian kể từ khi nhào trộn thạch cao với nước cho đến lúc

nó đạt đuợc một cường độ nhất định

Đối với hạch cao xây dựng người ta quy định thời gian bắt đầu ninh kết không nhỏ hơn 6 phút, thời gian kết thúc ninh kết không lớn hơn 30 phút

Cường độ thạch cao được xác định ở mẫu uốn có kích thước 4x4x16 cm và mẫu nén, là 2 nửa mẫu sau khi uốn gãy

Cường độ chuẩn được xác định ở tuổi 1,5 giờ rắn chắc trong điều kiện chuẩn

Thạch cao xây dựng được dùng để chế tạo bê tông, tấm ngăn cách, vữa trát cho panen tường

và các vật liệu trang trí khác ở nơi khô ráo

4.3.3 Thạch cao cường độ cao.

Thạch cao cường độ cao cũng là thạch cao nung ở nhiệt độ thấp Nếu nung đá thạch cao ở

áp lực thường chỉ nhận được thạch cao xây dựng, cường độ thấp Khi nung đá thạch cao bằng hơi nước áp lực ở 124°C trong khoảng 5 giờ , sau đó nung tiếp ở nhiệt độ 140 - 160°C sẽ nhận được thạch cao nửa phân tử nước, có tinh thể lớn hơn, có cường độ 150 – 250kg/cm2

Thạch cao cường độ cao đắt nên chỉ được dùng chủ yếu để ché tạo khuôn mẫu trong công nghiệp luyện kim và chỉ thay thế thạch cao xây dựng trong trường hợp cần thiết

4.4 Chất kết dính manhê.

4.4.1 Khái niệm:

Chất kết dính manhê thường ở dạng bột mịn, có thành phần chủ yếu là oxýt manhê, được sản xuất bằng cách nung đá manhêzit (MgCO3) hoặc đá đôlômit (CaCO3.MgCO3) ở nhiệt độ 750

-850°C

MgCO3 → MgO + CO2 (4-9)

Cách sử dụng: Chất kết dính manhê thường được nhào trộn với dung dịch clorua manhê hoặc các loại muối manhê khác Tác dụng của muối là rút ngắn quá trình rắn chắc và làm tăng đáng kể cường độ của chất kết dính

Chất lượng chất kết dính Mg được xác định thông qua cường độ của nó, ở tuổi 28 ngày đạt tới 400 – 600 kg/cm2, trong khi đó của đôlômit kiềm là 100 – 130 kg/cm2

Chất kết dính manhê chỉ rắn chắc trong môi trường không khí với độ ẩm không lớn hơn 60%

4.5 Thủy tinh lỏng, chất kết dính hỗn hợp và vôi thủy, ximăng lamã.

4.5.1 Thủy tinh lỏng.

Thuỷ tinh lỏng có thành phần R2O.nSiO2 Trong đó R là natri (Na) hoặc kali (K), n là mođun silicat Đối với thuỷ tinh lỏng natri, n = 2,5 – 3; kali, n = 3 – 4

Khối lượng riêng 1,3 – 1,5 g/cm3, trước khi sử dụng nó được hoàn với nước (50 – 70%) Được sản xuất bằng cách nung cát thạch anh (SiO2) với Na2CO3 (hoặc Na2SO4 + C) ở nhiệt

độ 1300 - 1400°C

Na2CO3 + nSiO2 = Na2O.nSiO2 + CO2 (4-10)

Hoặc:

Na2SO4 + + nSiO2 + C = 2Na2O.nSiO2 + CO2 + 2SO2 (4-11)

Sau đó hỗn hợp được cho vào thiết bị chứa hơi nước có áp lực 3 – 8 atm để tạo thuỷ tinh lỏng

Nó rắn chắc nhờ được nhờ quá trình tạo ra Si(OH)4

NaSiO3 + CO2 + 2H2O = Si(OH)4 + Na2CO (4-12)

Ứng dụng: sử dụng trong công nghệ sản xuất xi măng bền axit, làm phụ gia cải thiện tính chất của bê tông và các vật liệu khác

4.5.2 Chất kết dính hỗn hợp.

Chất kết dính hỗn hợp rất đa dạng Trong xây dựng chất kết dính hỗn hợp được sử dụng hỗn hợp của vôi và phụ gia vô cơ hoạt tính nghiền mịn Chúng được sản xuất bằng cách nghiền chung vôi sống và phụ gia hoạt tính hoặc trộn lẫn vôi nguyênx với phụ gia nghiền mịn

Phụ gia vô cơ hoạt tính có 2 nhóm chính:

- Loại thiên nhiên như điatômit, trepen, đá có nguồn gốc núi lửa

- Loại nhân tạo như các thải phẩm công nghiệp hoặc cũng có thể được sản xuất theo công nghệ riêng

Tỉ lệ phối hợp của chất kết dính hỗn hợp là: vôi sống 15 – 30%, phụ gia hoạt tính 70 – 80%

Sử dụng: Để chế tạo bê tông mác thấp, vữa xây dựng ở môi trường không khí và cả môi trường ẩm ướt

4.5.3 Vôi thuỷ và xi măng lamã.

Vôi thuỷ và xi măng lamã là chất kết dính rắn trong nước được sản xuất bằng cách nung đá macnơ

Vôi thuỷ được sản xuất bằng cách nung đá macnơ (hàm lượng sét 6 – 20%) ở nhiệt độ 900

-1200°C, có khả năng rắn chắc trong môi trường nước

Vôi thuỷ thường được cho rắn chắc trong không khí 7 ngày đầu, sau đó trong nước 21 ngày, cường độ 20 – 50 kg/cm2

Xi măng lamã: Cũng được sản xuất bằng cách nung đá mancơ (hàm lượng sét hơn 20%) ở nhiệt độ 900°C Thành phần của nó giống như vôi thuỷ nhưng có chất lượng cao hơn, xi măng lamã có 3 mác: 25, 50, 100 Được dùng để chế tạo vữa và bê tông mác thấp

4.6 Xi măng poolăng.

4.6.1 Khái niệm chung.

Xi măng pooclăng là chất kết dính vô cơ rắn trong nước, chứa khoảng 70 – 80% silicat canxi (3CaO.SiO2; 2CaO.SiO2)

Là sản phẩm nghiền mịn của clanke với phụ gia thạch cao (3 – 5%) Clanke được sản xuất bằng cách nung cho đến kết khối ở nhiệt độ 1450°C hỗn hợp chứa cacbonat canxi (CaCO3) và alumosilicat (đất sét, đá macnơ, xỉ lò cao, …) Trong đó thạch cao có tác dụng điều chỉnh thời gian ninh kết của xi măng

Trong khi nghiền clanke, để điều chỉnh tính chất và hạ giá thành người ta có thể cho thêm khoảng 15% (puzôlan, tro, trepen) và phụ gia hoạt tính và thêm 10% phụ gia trơ để tăng sản lượng (cát thạch anh, đá vôi …)

Mặc dù mới được sản xuất từ đầu thế kỷ 19, nhưng do những ưu điểm nổi bật (cường độ cao, rắn chắc nhanh, …) nên xi măng poolăng đã trở thành chất kết dính quan trọng nhất trong xây dựng cơ bản

4.6.2 Clanke.

Clanke thường ở dạng hạt có đường kính 10 – 40mm, cấu trúc phức tạp Chất lượng của clanke phụ thuộc vào thành phần khoáng vật, hoá học và công nghệ sản xuất Tính chất của xi măng do chất lượng của clanke quyết định

Thành phần hoá học

Được biểu thị bằng hàm lượng các ôxýt có trong clanke:

CaO: 63 ÷ 66%

SiO: 21 ÷ 24%

Al2O3: 4 ÷ 8%

Fe2O3: 2 ÷ 4%

Tổng hàm lượng các oxýt 95 ÷ 97% Ngoài ta còn 3 ÷ 5% là các oxýt khác: MgO, SO3,

K2O, Na2O…chiếm tỷ lệ không lớn và ít nhiều đều có hại đến chất lượng của xi măng

Thành phần hoá học của lanke thay đổi thì tính chất của xi măng cũng thay đổi

Thành phần khoáng vật

Trong clanke các ôxýt hầu như không tồn tại độc lập mà kết hợp với nhau để taoh thành các khoáng vật Có 4 khoáng vật chính trong clanke là alit, belit, aluminattricanxit và feroalumminat tetracanxit

Alit: 3CaO.SiO2 viết tắt là C3S, chiếm khoảng 45 – 60%, là dung dịch rắn của silicat tricanxit và một lượng không lớn (2 – 4%) các oxýt MgO, Al2O3, Cr2O3 và các tạp chất khác Alit

là khoáng quan trọng nhất của clanke, nó quyết định cường độ và các tính chất khác của xi măng

Belit: 2CaO SiO2 viết tắt là C2S, là khoáng silicát quan trọng thứ 2, chiếm 20 – 30% trong clanke Nó rắn chắc chậm nhưng đạt cường độ cao ở tưởi muộn Trong clanke thì belit là dung dịch rắn của β C2S và một lượng nhỏ (1 – 3%) Al2O3, Fe2O3, MgO, Cr2O3 …

Tổng hàm lượng silicat trong clanke khoảng 75%, số còn lại 25% là các khoáng nằm ở khoảng giữa alit và belit

Aluminat tricanxi: (3CaO.Al2O3), viết tắt là C3A, chiếm vào khoảng 4 – 12% Có tốc độ thuỷ hoá và rắn chắc nhanh, nhưng cường độ không lớn Nó rất dễ bị ăn mòn sunfát, nên trong xi măng bền sunfát phải khống chế lượng C3A (nhỏ hơn 5%)

Feroaluminat tetracanxi (4CaO.Al2O3.Fe2O3), viết tắt là C4AF, chiếm 10 – 12%, nó là dung dịch rắn của feroaluminat canxi có thành phần khác nhau Trong clanke của xi măng poolăng dung dịch rắn này thường rất gần cới C4AF, nó có tốc độ rắn chắc trung gian giữa alit và belit, vì vậy không có ảnh hưởng lớn đến tốc độ rắn chắc và sự toả nhiệt của xi măng poolăng

Thuỷ tinh clanke: chiếm khoảng 5 – 15%, bao gồm chủ yếu là CaO, Al2O3, Fe2O3, MgO,

K2O, Na2O

Oxýt manhê: (MgO) làm sự thuỷ hoá của xi măng kéo dài khá lâu (đến vài năm) và chuyển thành Mg(OH)2 có tính chất làm tăng thể tích của pha rắn Cho nên nếu hàm lượng MgO > 5% sẽ gây ra tính không ổn định thể tích của xi măng

Oxýt canxi tự do: (CaO) thường có trong clanke mới nung xong Hàm lượng không quá 1%

để đảm bảo thể tích của xi măng

Oxýt kiềm: (Na2O, K2O) có tính chất đặc biệt là có khẳ năng tác dụng với SiO2 vô định hình Vì vậy cần phải đặc biệt hạn chế hàm lượng của Na2O và K2O, khi nhào trộn xi măng với các cốt liệu có chứa SiO2 vô định hình

4.6.3 Nguyên tắc sản xuất:

4.6.3.1 Nguyên liệu và nhiên liệu

Nguyên liệu để sản xuất clanke là đá vôi có hàm lượng canxi cao và đất sét Trung bình để sản xuất 1 tấn xi măng cần khoảng 1,5 tấn nguyên liệu, tỷ lệ giữa thành phần CaCO3 và đất sét là 3:1

Trong công nghệ sản xuất xi măng người ta sử dụng khá phổ biến thải phẩm công nghiệp, vì thường chứa những oxýt cần thiết để tạo clanke (CaO, SiO2, Al2O3, Fe2O3)

Nhiên liệu chủ yếu và có hiệu quả nhất trong sản xuất xi măng ở nhiều nước là khí thiên nhiên có nhiệt trị cao Bên cạnh đó, dầu mazut và than đá cũng vẫn được sử dụng (Than chưa cho hiệu quả cao)

Chi phí nhiên liệu hiện nay chiếm 25% giá thành xi măng nên việ giảm giá nhiên liệu là vấn

đề cần quan tâm

4.6.3.2 Quá trình chuẩn bị nguyên liệu

Quá trình sản xuất xi măng bao gồm 4 công đoạn:

1- Khai thác và cung cấp nguyên liệu

2- Chuẩn bị phối liệu

3- Nung để tạo clanke

4- Nghiền clanke với phụ gia thạch cao

Chuẩn bị phối liệu: Có nhiều phương pháp chuẩn bị phối liệu: khô, ướt, hỗn hợp.

Phương pháp khô: Gồm có khâu nghiền mịn, nhào trộn hỗn hợp với tỷ lệ yêu cầu để đảm bảo cho các phản ứng hoá học và clanke có chất lượng đồng nhất ở trạng thái khô hay đã sấy trước Sau khi nghiền bột phối liệu được đưa vào xilô để kiểm tra hiệu chỉnh lại thành phần và để

dự trữ đảm bảo cho lò nung làm việc liên tục

Ưu điển: Phương pháp khô có chi phí nhiên liệu ít hơn ướt 1,5 đến 3 lần, do đó phương pháp khô được phổ biến ở nhiều nước

Nhược điểm: Dễ gây ô nhiễm môi trường, ảnh hưởng đến sức khẻo người lao động

Phương pháp ướt: Đất sét sau khi được khai thác được đưa vào máy khuấy đều cùng nước tạo thành huyền phù, đá vôi được đập nhỏ rồi cho vào nghiềm chung với đất sét ở trạng thái lỏng (nước tiêu chuẩn 35 – 45%) trong máy nghiềm cho đén độ mịn yêu cầu Sau đó được bơm vào bể bùn để kiểm tra và điều chỉnh thành phần trước khi nung

Nhược điểm: tốn nhiên liệu

Ưu điểm: Quá trình nghiền nhiên liệu không gây bụi

Phuơng pháp hỗn hợp: Cho phép giảm tiêu tốn nhiên liệu 20 – 30% so với phương pháp ướt Thực chất của phương pháp này là bùn trước khi đưa vào lò nung được khử nước trước ở thiết bị đặc biệt Như vạy nó cũng phải tiêu tốn điện năng Phương pháp này được xử dụng phổ biến cho xi măng lò đứng

4.6.3.3 Nung tạo clanke

Nếu nguyên liệu khô thì được nung trong lò đứng

Nếu nguyên liệu ướt thì được nung trong lò nghiêng

(Cấu tạo lò và cách nung đọc Giáo trình)

4.6.3.4 Nghiền tạo xi măng:

Được thực hiện trong máy nghiền hình trống làm việc theo chu trình hở hoặc chu trình kín Vật liệu được nghiền dưới tác dụng của vật thể nghiền là những viên bi thép hình cầu và bi thép hình trụ Khi máy quay bi thép dược năng lên một độ cao nhất định rồi rơi xuống va đập và chà sát làm vụn hạt vật liệu

(Cách nghiền đọc Giáo trình)

4.6.4 Lý thuyết về sự rắn chắc của xi măng.

Xi măng sau khi được nhào trộn với nước trải qua 3 giai đoạn rắn chắc:

- Đầu tiên trong khoảng 1- 3 giờ sau khi nhào trộn nó dẻo và dễ tạo hình

- Sau thời gian trên nó bắt đầu ninh kết.: hỗn hợp đặc dần lại và mất dần tính dẻo, nhưng có cường độ không lớn, giai đoạn này kết thúc từ 5 – 10h sau khi nhào trộn Trong giai đoạn này không được gây chấn động sẽ ảnh hưởnh đến cường độ bê tông

- Hỗn hợp chuyển từ trạng thái đặc sệt sang trạng thái rắc chắc (kết thúc ninh kết), giai đoạn rắn chắc đặc trưng bằng sự tăng nhanh cường độ

4.6.4.1 Phản ứnh thuỷ hoá

Khi nhào trộn xi măng với nước ở giai đoạn đầu xảy ra quá trình tác dụng nhanh của alit với nước tạo ra hyđrôsilicat canxi và hyđrôxit canxi:

2(3CaO.SiO2) + 6H2O = 3CaO.2SiO2.3H2O + 3Ca(OH)2 (4-13)

Vì đã có hyđroxit canxi tách ra từ alit nên belit thuỷ hoá chậm hơn alit và tách ra ít Ca(OH)2

hơn (nồng độ Ca(OH)2 tăng lên làm chậm phản ứng của belit với nước)

2(2CaO.SiO2) + 4H2O = 3CaO.2SiO2.3H2O + Ca(OH)2 (4-14)

Hyđrôsilicat canxi hình thành khi thuỷ hoá hoàn toàn đơn khoáng silicat tricanxi ở trạng thái cân bằng với dung dịch bão hoà hyđroxit canxi

Pha chứa alumô chủ yếu trong xi măng là aluminat tricanxi (3CaO.Al2O3) – C3A pha hoạt động nhất Ngay sau khi trộn với nước trên bề mặt các hạt xi măng đã có lớp sản phẩm xốp, không bền, có tinh thể dạng tấm mỏng lục giác Cấu trúc tơi xốp này làm giảm độ bền nước của

nó là hyđroaluminat 6 nước có tinh thể hình lập phương được tạo:

3CaO.Al2O3 + 6H2O 3CaO.Al2O3.6H2O (4-15)

Để làm chậm quá trình ninh kết khi nghiền clanke cần cho thêm một lượng đá thạch cao (3 – 5% so với lượng xi măng)

CaSO4 đóng vai trò là chất hoạt động hoá học của xi măng, tác dụng với C3A ngay từ đầu để tạo thành sunphoaluminat canmmi ngậm nước (khoáng etringit)

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

3CaO.Al2O3.3CaSO4.32H2O.(4-16)

Trong dung dịch bão hoà Ca(OH)2 ngay từ đầu etringit sẽ tách ra ở dạng keo phân tán min đọng lại trên bề mặt C3A làm chậm sự thuỷ hoá của nó và kéo dài thời gian ninh kết của xi măng Ca(OH)2 kết tinh làm giảm nồng độ trong dung dịch, etringit chuyển sang dạng sợi, tạo cường độ ban đầu cho xi năng Sau đó etringit còn tác dụng với C3A còn lại sau khi đã tác dụng với thạch cao để tạo ra muối kép một sumphat

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

3(3CaO.Al2O3.CaSO4.18H2O) (4-17)

Feroaluminat tetracanxi tác dụng với nước tạo ra hyđroaluminat và hyđroferit canxi:

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

(4-18)

Hyđroferit sẽ nằm lại trong thành phần của gen xi măng, còn hyđroaluminat sẽ lại tác dụng với thạch cao như phản ứng trên

4.6.4.2 Tính chất và sự hình thành cấu trúc của hồ xi măng

Hồ xi măng tạo thành sau khi nhào trộn xi măng với nước là loại huyền phù đăch của nước Huyền phù đặc có 2 tính chất:

- Hệ phân tán

-Xúc biến: Tính chất riêng của vật liệu xây dựng (bê tông tươi) Khi chịu tác dụng của chấn động thì sẽ chuyển sang thể lỏng nhớt, dễ tạo hình

Trước khi tạo hình và bắt đầu ninh kết, hồ xi măng có cấu trúc ngưng tụ Trong đó các hạt rắn hút nhau bằng lực Vanđécvan và liên kết vơia nhau bằng lớp vở hyđrát Cấu trúc này bị phá huỷ khi có lực cơ học tác dụng (nhào trộn, rung …) Do ứng suất trượt giảm đi đột ngột, cấu trúc

bị phá huỷ, nó trở thành chất lỏng nhớt, dễ tạo hình Việc chuyển hồ sang trạng thái chảy mang