NGHIÊN CỨU ẢNH HƯỞNGTỶ LỆ NƯỚC TRÊN XI MĂNG VÀ TRO BAYĐẾN CO NGÓT HÓA HỌC CỦAVỮA BÊ TÔNG SỚM TUỔI.LUẬN VĂN THẠC SĨ

- Làm phụ gia bê tông sẽ làm tăng cường độ bê tông lên từ 1,5 - 2 lần; làm tăng độ nhớt của vữa giúp bê tông chui vào các khe lỗ rỗng dễ dàng; “khử vôi tự do CaO”trong xi măng khoảng 6%

-HỒ VĂN LƯU

NGHIÊN CỨU ẢNH HƯỞNG

TỶ LỆ NƯỚC TRÊN XI MĂNG VÀ TRO BAY

ĐẾN CO NGÓT HÓA HỌC CỦA

VỮA BÊ TÔNG SỚM TUỔI

LUẬN VĂN THẠC SĨ

KỸ THUẬT XÂY DỰNG CÔNG TRÌNH DÂN DỤNG VÀ CÔNG NGHIỆP

Đà Nẵng - Năm 2019

-HỒ VĂN LƯU

NGHIÊN CỨU ẢNH HƯỞNG

TỶ LỆ NƯỚC TRÊN XI MĂNG VÀ TRO BAY

ĐẾN CO NGÓT HÓA HỌC CỦA VỮA BÊ TÔNG SỚM TUỔI

Chuyên ngành: Kỹ thuật xây dựng công trình dân dụng và công nghiệp

Mã số: 8580201

LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT

Người hướng dẫn khoa học: PGS.TS TRẦN QUANG HƯNG

Đà Nẵng - Năm 2019

Hưng đã giao đề tài và tận tình hướng dẫn em hoàn thành bản luận văn này Em cũng xin chân thành cảm ơn các thầy cô giáo trong Khoa Xây dựng Dân dựng và Công nghiệp; nhóm nghiên cứu khoa học của Khoa Xây dựng Thủy lợi - Thủy điện

và tất cả cán bộ phụ trách phòng thí nghiệm: Khoa Xây dựng Dân dựng và Công nghiệp; Khoa Hóa và Khoa Xây dựng Thủy lợi - Thủy điện và Khoa Hóa thuộc Trường Đại học Bách khoa - Đại học Đà Nẵng nhiệt tình hướng dẫn, động viên, khích lệ và tạo điều kiện cho em hoàn thành luận văn Em xin chân thành biết ơn!

Đà Nẵng, ngày 27 tháng 03 năm 2019

Tác giả luận văn

Hồ Văn Lưu

Các số liệu, kết quả thí nghiệm, tính toán nêu trong luận văn là trung thực và chưa từng được ai công bố trong bất kỳ công trình nào khác.

Đà Nẵng, ngày 27 tháng 03 năm 2019

Tác giả luận văn

Hồ Văn Lưu

VỮA BÊ TÔNG SỚM TUỔI

Học viên: Hồ Văn Lưu Chuyên ngành: Kỹ thuật XDCT DD & CN

Mã số: 8590201 Khóa: K34 Trường Đại học Bách khoa - ĐHĐN

Tóm tắt - Co ngót hóa học là sự giảm thể tích tuyệt đối của hồ xi măng do sự thay

đổi về hóa - lý xảy ra trong suốt quá trình hyđrat của xi măng Trị số co ngót hóahọc phụ thuộc vào lượng xi măng, phụ gia, lượng nước trộn trong hỗn hợp chấtkết dính Một số thiết bị chuyên dụng dùng để nghiên cứu xem hình dạng cốt liệu,phân tích thành phần hóa học và đo co ngót Luận văn này trình bày việc xâydựng chương trình nghiên cứu ảnh hưởng tỷ lệ nước trên xi măng và tro bay đến

co ngót hóa học của vữa bê tông sớm tuổi Các kết quả số liệu nghiên cứu cân đo

và thu thập được, nhận thấy phù hợp với số liệu do các nhà nghiên cứu đã từngcông bố trên những tạp chí thế giới

Từ khóa - Co ngót hóa học; Giảm thể tích tuyệt đối; Kính hiển vi điện tử quét

(SEM); Máy nhiễu xạ tia X; Thiết bị ACS-DUT đo co ngót; Phản ứng thủy hóa

RESEARCHING THE INFLUECE WATER/CEMENT

AND ORDER TO COOL CHEMICAL OF THE EARLY

CONCRETE BETTER

Abstract - Chemical shrinkage is the absolute volume reduction of cement due to

physico - chemical changes during the hydration process of cement The amount

of the chemical shrinkage depends on the amount of cement, additives and watermixed in the binder mixture Some specialized equipment are used in this study toexamine the aggregate shape, to analyse the chemical composition and to measurethe shrinkage The present study investigates the effect of water content in cementand the fly ash on the early - age shrinkage of cement The collected data andmeasurements were validated using relevant published data in the literature

Keywords - Chemical shrinkage; Absolute volume reduction; Scanning electron

microscope (SEM); X - ray diffraction instrument; Autogenous and ChemicalShrinkage - Danang University of Science and Technology (ACS-DUT);Hydration reaction (Hyđrat)

MỞ ĐẦU 1

1.Lý do chọn đề tài 1

2.Mục đích và nhiệm vụ nghiên cứu 2

3.Đối tượng và phạm vi nghiên cứu 2

4.Phương pháp nghiên cứu 2

5.Ý nghĩa khoa học và thực tiễn 2

6 Bố cục đề tài 2

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ ẢNH HƯỞNG TỶ LỆ NƯỚC TRÊN XI MĂNG VÀ TRO BAY ĐẾN CO NGÓT HÓA HỌC CỦA VỮA BÊ TÔNG SỚM TUỔI 3

1.1.Quá trình hyđrat của xi măng 3

1.1.1.Giới thiệu chung về xi măng và tro bay 3

1.1.2.Phản ứng thủy hóa (Hyđrat) của xi măng 5

1.1.3.Quá trình rắn chắc của hồ (vữa) xi măng 6

1.2.Cấu trúc hồ (vữa) xi măng 8

1.3.Sự phát triển và cấu trúc lỗ rỗng 13

1.4.Định nghĩa về co ngót hóa học 14

1.5.Nguyên nhân của co ngót hóa học – Kết luận chương 1 15

CHƯƠNG 2: XÂY DỰNG CHƯƠNG TRÌNH THÍ NGHIỆM ĐỂ ĐO SỰ CO NGÓT HÓA HỌC CỦA VỮA BÊ TÔNG SỚM TUỔI 17

2.1.Vật liệu thí nghiệm 15

2.2.Thí nghiệm xác định tính chất của tro bay 15

2.2.1.Mẫu tro bay được xác định bằng phương pháp độ hút vôi theo phương pháp nhanh 15

2.2.2.Xác định thành phần khoáng bằng phương pháp nhiễu xạ tia X 18

2.2.3.Xác định cấu trúc vật liệu tro bay bằng phương pháp kính hiển vi điện tử quét (SEM) 20

2.3.Chuẩn bị mẫu thí nghiệm 21

2.3.1.Dụng cụ thí nghiệm 22

2.3.2.Mẫu thí nghiệm 25

2.3.3.Điều kiện phòng thí nghiệm 25

2.4 Chương trình thí nghiệm 26

2.4.1.Các bước xác định lượng nước tiêu ch uẩn 26

2.4.2.Các bước xác định thời gian đông kết 27

2.5 Kết luận chương 2 28

3.2.Xác định lượng nước tiêu chuẩn 31

3.2.1.Xác định lượng nước tiêu chuẩn không có phụ gia tro bay 31

3.2.2.Xác định lượng nước tiêu chuẩn có ph ụ gia tro bay 312

3.3.Xác định sự thay đổi thể tích của hồ (vữa) bê tông sớm tuổi 33

3.3.1.Cấp phối chất mẫu thí nghiệm 34

3.3.2.Trình tự thí nghiệm xác định co ngót hóa học 34

3.3.3.Diễn giải kết quả 37

3.3.4.Kết quả đo thay đổi thể tích của hồ xi măng bê tông sớm tuổi 37

3.3.5.Ảnh hưởng Tro bay đến co ngót hóa học 38

3.3.6.Phân tích ảnh hưởng của tro bay đến co ngót hóa học 40

3.3.7 Trình tự thí nghiệm ảnh hưởng của tỷ lệ Nước/Xi măng đến co ngót hóa học.………43

3.3.8.Kết quả đo thay đổi thể tích hồ xi măng với lượng nước tiêu chuẩn……….44

3.3.9.Ảnh hưởng tỷ lệ Nước/Xi măng trộn đến co ngót hóa học 44

3.3.10.Phân tích ảnh hưởng tỷ lệ Nước/Xi măng trộn đến co ngót hóa học 46

3.4 Kết luận chương 3 47

KẾT LUẬN 48

DANH MỤC TÀI LIỆU THAM KHẢO 50

QUYẾT ĐỊNH GIAO ĐỀ TÀI 51

3.2 Khối lượng ba mẫu thí nghiệm cho cấp phối không có tro bay (M0) 363.3 Khối lượng ba mẫu thí nghiệm cho cấp phối có tro bay 10% (M10) 363.4 Khối lượng ba mẫu thí nghiệm cho cấp phối có tro bay 20% (M20) 373.5 Khối lượng ba mẫu hồ xi măng thí nghiệm với tỷ lệ N/XM là

hình

1.5 Kích thước đặc trưng của các pha rắn và các dạng lỗ rỗng 111.6 Sơ đồ mô tả các loại nước liên quan đến CSH 121.7 Sơ đồ biểu thị các giai đoạn co ngót và kiểu co ngót 151.8 Co ngót biểu kiến (tự sinh) và co ngót hóa học (tuyệt đối) 15

2.7 Vika xác định lượng nước tiêu chuẩn và thời gian đông kết 27

3.5 Kết quả thí nghiệm xác định độ dẻo tiêu chuẩn 313.6 Kết quả thí nghiệm xác định độ dẻo tiêu chuẩn 323.7 Kết quả thí nghiệm xác định độ dẻo tiêu chuẩn 333.8 Thiết bị được thiết kế dựa trên nguyên lý Archimedes và

phương pháp đo co ngót hóa học (Bouasker et al 2008) 33

3.10 Cân Bình thủy tinh chứa mẫu ở trạng thái khô 353.11 Cân Bình thủy tinh chứa mẫu ngâm trong nước 353.12 Kết quả thay đổi khối lượng của ba lần đo trong 168 giờ 383.13 Kết quả co ngót hóa học của ba lần đo trong 168 giờ 383.14 Kết quả thay đổi khối lượng của ba lần đo trong 168 giờ 393.15 Kết quả co ngót hóa học của ba lần đo trong 168 giờ 39

3.18 Kết quả khối lượng thay đổi khối lượng của các mẫu M0.TB,

3.19 Kết quả co ngót hóa học của các mẫu M0.TB, M10.TB vàM20.TB, đo trong 168 giờ 413.20 Sơ đồ mô tả sức căng bề mặt của nước trong lỗ rỗng mao dẫn 423.21 Kết quả thay đổi khối lượng của ba lần đo trong 168 giờ 443.22 Kết quả co ngót hóa học của ba lần đo trong 168 giờ 443.23 Kết quả thay đổi khối lượng của ba lần đo trong 168 giờ 453.24 Kết quả co ngót hóa học của ba lần đo trong 168 giờ 453.25 Kết quả thay đổi khối lượng của ba lần đo trong 168 giờ 453.26 Kết quả co ngót hóa học của ba lần đo trong 168 giờ 463.27 Kết quả khối lượng thay đổi khối lượng của ba thành phần cấpphối đo trong 168 giờ 463.28 Kết quả co ngót hóa học của các mẫu Mtc.TB, M35.TB vàM40.TB, đo trong 168 giờ 47

MỞ ĐẦU

1 Lý do chọn đề tài

Bê tông là loại vật liệu được tiêu thụ nhiều thứ hai sau nước, lượng tiêu thụ bêtông mỗi năm trên thế giới khoảng 10 tỷ m3, nó tương ứng mỗi người sử dụng khoảng1.5 m3 bê tông mỗi năm [1] Bê tông có mặt hầu hết ở các bộ phận của công trình hạtầng xây dựng: móng, tường chắn, sàn, trụ cầu, cầu tàu, cừ, đập bê tông, Tuy nhiên,trong thực tế việc sử dụng bê tông trong xây dựng các công trình cũng còn thể hiệnnhiều hạn chế cần nghiên cứu và giải pháp khắc phục Trong thực tế, hiện tượng nứt bềmặt của bê tông sau vài giờ thi công xảy ra khá phổ biến Đây là một vấn đề khá phứctạp, nó phụ thuộc vào nhiều yếu tố như: tính chất của hỗn hợp chất kết dính, phụ gia(hóa học và khoáng), cốt liệu, thời tiết (độ ẩm, tốc độ gió, nhiệt độ), và quá trình thicông,

a.Vết nứt trên bề mặt bê tông sớm tuổi

(4 giờ sau khi đổ)

b.Vết nứt trên bề mặt bê tông đã có cường độ (sau 24 giờ sau khi đổ)

Hình 1 Vết nứt trên bề mặt bê tông

Sự thay đổi thể tích của bê tông sớm tuổi là kết quả của một quá trình hóa lýphức tạp Sự thay đổi thể tích này thường được xem là cơ chế chính dẫn đến sự nứt củavữa bê tông sớm tuổi dẫn đến sự mất độ bền của công trình bê tông [2] Ở thời điểmrất sớm (very early age) và trong suốt quá trình ngưng kết, hai yếu tố quyết định trựctiếp sự co ngót của chất kết dính trong điều kiện kín hay không trao đổi ẩm với môitrường là sự giảm của lỗ rỗng mao dẫn và co ngót hóa học (chemical shrinkage) Nhìnchung vữa bê tông sớm tuổi được bảo dưỡng tốt nên các hoạt động mao dẫn là khôngđáng kể Vì vậy, co ngót hóa học của vật liệu xi măng góp phần đáng kể vào s ự thayđổi thể tích sớm của vữa bê tông [3] Để làm rõ sự co ngót hóa học cho hỗn hợp chấtkết dính trong quá trình hyđrat của vữa bê tông sớm tuổi (ngay sau khi nhào trộn, thicông vài giờ) và hiệu quả của tro bay

Tro bay là loại phụ gia khoáng hoạt tính, do vậy hứa hẹn có khả năng làm giảm

sự co ngót hóa học cho hỗn hợp chất kết dính của vữa bê tông sớm tuổi Ngoài ra, tỷ lệnước trên xi măng cũng ảnh hưởng đến quá trình thủy hóa của xi măng Do vậy đề tài

sẽ nghiên cứu “ảnh hưởng tỷ lệ nước trên xi măng và tro bay đến co ngót hóa học củavữa bê tông sớm tuổi” là sự cần thiết.

2 Mục đích và nhiệm vụ nghiên cứu

- Đo được sự co ngót hóa học của vữa bê tông sớm tuổi bằng thực nghiệm

- Đánh giá được ảnh hưởng tỷ lệ nước trên xi măng và tro bay đến sự co ngóthóa học của vữa bê tông sớm tuổi

3 Đối tượng và phạm vi nghiên cứu

- Đối tượng: Vữa bê tông sớm tuổi

- Phạm vi: Co ngót hóa học của vữa bê tông sớm tuổi

4 Phương pháp nghiên cứu

- Cách tiếp cận: Kế thừa kết quả nghiên cứu trên thế giới về sự thay đổi thể tíchcủa vữa bê tông sớm tuổi và phương pháp đo đại lượng này

- Phương pháp nghiên cứu: Phân tích lý thuyết kết hợp thí nghiệm

5 Ý nghĩa khoa học và thực tiễn

Kết quả của đề tài là cơ sở có tính khoa học để các đơn vị sản xuất bê tông ximăng thương phẩm hoặc bê tông thủ công, tham khảo trong quá trình tính toán thiết kếthành phần cấp phối bê tông khi sản xuất bê tông

6 Bố cục đề tài

Mở đầu:

Chương 1: Tổng quan về ảnh hưởng tỷ lệ Nước trên Xi măng và Tro bay đến co ngót

hóa học của vữa bê tông sớm tuổi

Chương 2: Xây dựng chương trình thí nghiệm để đo sự co ngót hóa học của vữa bê

tông sớm tuổi

Chương 3: Kết quả và thảo luận

Kết luận và kiến nghị

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ ẢNH HƯỞNG TỶ LỆ NƯỚC TRÊN

XI MĂNG VÀ TRO BAY ĐẾN CO NGÓT HÓA HỌC

CỦA VỮA BÊ TÔNG SỚM TUỔI

1.1 Quá trình hyđrat của xi măng

1.1.1 Giới thiệu chung về xi măng và tro bay

a Xi măng

Xi măng pooclăng là một nhóm chất kết dính thuỷ lực có khả năng đóng rắn vàngưng kết khi phản ứng với nước Đó là sản phẩm nhân tạo được nghiền mịn từclinker xi măng pooclăng, thạch cao, phụ gia

Clinker xi măng pooclăng là sản phẩm ban đầu trong quá trình sản xuất xi măngpooclăng Clinker thường ở dạng hạt có đường kính 10 - 40mm, cấu trúc phức tạp (cónhiều khoáng ở dạng tinh thể và một số khoáng ở dạng vô định hình) Chất lượng củaClinker phụ thuộc vào thành phần khoáng vật, hóa học và công nghệ sản xuất Tínhchất của xi măng do chất lượng của Clinker quyết định

Clinker pooclăng là sản phẩm ban đầu trong quá trình sản xuất xi măngpooclăng

Thành phần hóa học của clinker được trình bày ở bảng dưới đây

Bảng 1.1: Thành phần hóa học của clinker

Thành phần hóa học CaO Al2O3 SiO2 Fe2O3

Tỷ lệ % khối lượng 63 - 67 4 - 8 21 - 22 2 - 4Ngoài ra còn có những tạp chất không mong muốn như MgO khoảng 1- 4%,oxit kiềm 0.5- 3%

Thành phần pha của clinker được trình bày ở bảng sau

Bảng 1.2: Thành phần của clinker

Thành

phần

C3S(3CaO.SiO2)

C2S(2CaO.SiO2)

C3A(3CaO.Al2O3)

C4AF(4CaO.Al2O3.Fe2O3)

- Alit (C3S): bao gồm 3CaO.SiO2chiếm từ 45 - 60% trong clinker Khoáng nàyphản ứng nhanh với nước, tỏa nhiều nhiệt, cho sản phẩm đông rắn cao nhất sau 28ngày Đây là một pha quan trọng nhất của clinker

- Belit (C2S): bao gồm 2CaO.SiO2 chiếm 20 - 30% trong clinker Khoáng nàyphản ứng với nước tỏa ít nhiệt và cho sản phẩm có độ đông rắn chậm nhưng 28 ngàycũng đạt được yêu cầu bằng alit

- Celit (C4AF): là khoáng chiếm 5 - 15% trong clinker, là khoáng cho phản ứngtỏa ít nhiệt và cho sản phẩm ứng với độ đông rắn thấp

- Canxi aluminat (C3A): bao gồm 3CaO.Al2O3 chiếm 4 - 13% Khoáng nàyphản ứng nhanh với nước tỏa nhiều nhiệt Cho sản phẩm phản ứng ban đầu đông rắnnhanh nhưng sau đó lại chậm và kém alit.

b Tro bay

Tro bay là một loại khoáng hoạt tính pozzolan (là một loại puzzolan nhân tạogồm SiO2, Al2O3, Fe2O3, chiếm khoảng 84%), dùng làm phụ gia cho chế tạo bêtông Tro bay là bụi khí thải dưới dạng hạt mịn thu được từ quá trình đốt cháy nhiênliệu than đá trong các nhà máy nhiệt điện chạy bằng than, là phế thải thoát ra từ buồngđốt qua ống khói nhà máy Loại vật liệu này một thời đã được coi là rác thải, nhưnghiện nay nó được coi là vật liệu có giá trị cao khi sử dụng kết hợp như là một phụ gia

Vì vậy, tro bay có cỡ hạt mịn hơn xi măng, thành phần chính là: SiO2, Al2O3,CaO, MgO, SO3… Các đặc trưng quan trọng nhất trong việc sử dụng phụ gia là hàmlượng cacbon phải thấp và SiO2 phải ở dạng bột mịn và rời rạc như Hình 1.1 Các chỉtiêu của tro bay nghiên cứu phù hợp với tro bay hoạt tính loại F dùng cho bê tông, vữaxây và xi măng theo Tiêu chuẩn TCVN 10302:2014

Hình 1.1 Tro bay có dạng bột mịn rời rạc.

Tro bay là một vật liệu rất mịn (siêu mịn) chủ yếu là các hạt thủy tinh nhỏ hìnhcầu tròn như Hình 1.2, độ lọt sàn từ 0.05 - 50 nanomet (1 nanomet = 1x10 - 9m), tỉdiện bề mặt tương đối lớn 300 - 500 m2/kg

Hình 1.2 Các hạt thủy tinh.

Ưu điểm của việc sử dụng tro bay:

- Do kĩ thuật nghiền siêu mịn, mà lấp đầy các lỗ rỗng mao quản làm tăng độchắc đặc cho đá xi măng

- Khả năng hoạt tính của phụ gia đã làm giảm lượng Ca(OH)2 dễ hòa tan trong

xi măng và tạo thành gel C-S-H có khả năng rắn chắc:

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

- Khắc phục đáng kể hiện tượng xâm thực của môi trường nước biển chứa Cl

-ăn mòn mạnh cốt thép và gây phá hủy công trình

- Làm phụ gia bê tông sẽ làm tăng cường độ bê tông lên từ 1,5 - 2 lần; làm tăng

độ nhớt của vữa giúp bê tông chui vào các khe lỗ rỗng dễ dàng; “khử vôi tự do CaO”trong xi măng (khoảng 6%) là thành phần gây “nổ” làm giảm chất lượng bê tông trongmôi trường nước

- Làm phụ gia sản xuất xi măng bền sulfat cho xây dựng công trình ở các vùngnước lợ, nước mặn, đồng muối, công trình biển đảo Nó là phụ gia cho bê tông tự lènđối với công trình đòi hỏi chịu lực cao Với vữa trát tường, nó có thể thay thế 30 - 35%

1.1.2 Phản ứng thủy hóa (Hyđrat) của xi măng

Nhiều nghiên cứu về quá trình hyđrat của xi măng Portland, từ các nghiên cứucủa Mounanga et al [2], Mindess [3], Tazawa et al [4] và Holt [5] đã tóm tắt ngắn gọn

sự hyđrat của xi măng Portland có trộn chất hoạt hóa thạch cao (CaSO4.2H2O) qua cácphương trình hóa học sau [6]:

- Beltzung và Wittmann [7] chỉ ra rằng khi nhào trộn xi măng với nước, thạchcao khan (CaSO4.0,5H2O: CŜH1/2) có trong thạch cao sẽ tác dụng ngay với nước trongnhững phút đầu tiên để tạo thành thạch cao:

- Khoáng alit (C3S) và bêlit (C2S) tác dụng ngay khi tiếp xúc với nước (bêlit tácdụng chậm hơn) tạo thành các gen calcium silicate hydrate (C-S-H) và tinh thểporlandite (CH) C-S-H hình thành trên bề mặt của các hạt C3S, C2S hay C-S-H hìnhthành trước đó, tỷ lượng của C-S-H phụ thuộc vào thời gian, nhiệt độ, tỷ lệ nước và ximăng, chất bẩn chứa trong C3S và C2S Đến nay, các nhà nghiên cứu đồng thuận vớikết quả nghiên cứu của Young và Hansen [8], theo đó dạng trung bình của C-S-H nontuổi là C1,7SH4 Còn tinh thể CH hình thành và phát triển trong không gian lỗ rỗng maodẫn

C2S + 4,3H → C1,7SH4+ 0,3CH (3)

- Celit (C3A) phản ứng rất nhanh ngay khi gặp nước làm cho xi măng khô sớm

Do đó, để làm chậm quá trình ngưng kết, khi sản xuất xi măng thường thêm một lượng3÷5% thạch cao, nó đóng vai trò là chất hoạt hóa cho xi măng C3A tác dụng vớisulfate (trong thạch cao) và nước tạo thành ettringite (C6AŜ3H32: AFt):

1.1.3 Quá trình rắn chắc của hồ (vữa) xi măng

Quá trình hình thành cấu trúc của hồ xi măng, hồ xi măng tạo thành sau khinhào trộn xi măng với nước là loại huyền phù đặc của nước Trước khi tạo hình hỗnhợp bê tông và bắt đầu đông kết, hồ xi măng có cấu trúc ngưng tụ Trong đó những hạtrắn hút nhau bằng lực Vanđecvan và liên kết với nhau bằng lớp vỏ hyđrat Cấu trúcnày sẽ bị phá huỷ khi có lực cơ học tác dụng (nhào, trộn, rung…) nó trở thành chấtlỏng nhớt, dễ tạo hình Việc chuyển hồ sang trạng thái chảy mang đặc trưng xúc biến,

có nghĩa là khi loại bỏ tác dụng của lực cơ học thì liên kết cấu trúc trong hệ lại đượcphục hồi Tính chất cơ học - cấu trúc của hồ xi măng tăng theo mức độ thuỷ hoá ximăng

Ví dụ ứng suất trượt của hồ xi măng đo được sau khi nhào trộn là 0,1kG/cm2,khi bắt đầu đông kết tăng lên 15 lần (1,5 kG/cm2), còn khi kết thúc đông kết lên 50 lần(5kG/cm2) Như vậy, hồ xi măng có khả năng thay đổi nhanh tính lưu biến trongkhoảng 1 ÷ 2 giờ

Sự hình thành cấu trúc của hồ xi măng và cường độ của nó xảy ra như sau:Những phân tố cấu trúc đầu tiên được hình thành sau khi nhào trộn xi măng với nước

là etringit, hyđroxit canxi và các sợi gen CSH Etringit dạng lăng trụ lục giác được tạothành sau 2 phút, còn mầm tinh thể Ca(OH)2 xuất hiện sau vài giờ Phần gen củahyđrosilicat canxi đầu tiên ở dạng “bó” Những lớp gen mỏng tạo thành xen giữa cáctinh thể Ca(OH)2 làm đặc chắc thêm hồ xi măng

Đến cuối giai đoạn đông kết cấu trúc cơ bản của hồ xi măng được hình thànhlàm cho nó biến đổi thành đá xi măng.

Quá trình rắn chắc của vữa

xi măng [9]

Quá trình hình thành cẫutrúc vữa xi măng [10]

Chú thích:

+ Dormant period: Giai đoạn hòa tan hay giai đoạn ngủ

+ Initial setting time: Thời điểm bắt đầu ngưng kết

+ Final setting time: Thời điểm kết thúc ngưng kết

+ Hydration products: Sản phẩm hyđrat

+ Setting: Ngưng kết

+ Hardening: Rắn chắc

+ Cement: Xi măng

+ Capillary pores: Lỗ rỗng mao dẫn

Hình 1.3 Quá trình đóng rắn của xi măng portland

Quá trình rắn chắc của xi măng, khi xi măng rắn chắc, các quá trình vật lý vàhoá lý phức tạp đi kèm theo các phản ứng hoá học có một ý nghĩa rất lớn và tạo ra sự

biến đổi tổng hợp, khiến cho xi măng khi nhào trộn với nước, lúc đầu chỉ là hồ dẻo vàsau biến thành đá cứng có cường độ Tất cả các quá trình tác dụng tương hỗ của từngkhoáng với nước để tạo ra những sản phẩm mới xảy ra đồng thời, xen kẽ và ảnh hưởnglẫn nhau Các sản phẩm mới cũng có thể tác dụng tương hỗ với nhau và với cáckhoáng khác của clinke để hình thành những liên kết mới Do đó hồ xi măng là một hệrất phức tạp cả về cấu trúc thành phần cũng như sự biến đổi Để giải thích quá trìnhrắn chắc người ta thường dùng thuyết của Soroka [9] Theo thuyết này, quá trình rắnchắc của xi măng portland được chia làm 3 giai đoạn như Hình 1.3 [10].

- Giai đoạn hòa tan (Dormancy): Khi nhào trộn xi măng với nước (addition ofwater) các thành phần khoáng của xi măng sẽ tác dụng với nước ngay trên bề mặt hạt

xi măng Những sản phẩm mới tan được (CH, C3AH6) sẽ tan ra Nhưng vì độ tan của

nó không lớn và lượng nước có hạn nên dung dịch nhanh chóng trở nên quá bão hòa

- Giai đoạn hóa keo (Setting): Trong dung dịch quá bão hòa, các sản phẩm CH

và C3AH6 mới tạo thành sẽ không tan nữa mà tồn tại ở trạng thái keo Còn các sảnphẩm CSH, AFt, AFm vốn không tan nên vẫn tồn tại ở thể keo phân tán Nước vẫntiếp tục mất đi (bay hơi, phản ứng với xi măng), các sản phẩm mới tiếp tục tạo thành,

tỉ lệ rắn trên lỏng ngày một tăng, hỗn hợp mất dần tính dẻo, các sản phẩm ở thể keoliên kết với nhau thành thể ngưng keo

- Giai đoạn kết tinh (Hardening): Nước ở thể ngưng keo vẫn tiếp tục mất đi, cácsản phẩm mới ngày càng nhiều Chúng kết tinh lại thành tinh thể rồi chuyển sang thểliên tinh làm cho cả hệ thông hóa cứng và cường độ tăng

1.2 Cấu trúc hồ (vữa) xi măng

Sau quá trình hyđrat hồ xi măng sẽ chuyển thành đá xi măng, đá xi măng gồm

có ba pha chính: pha rắn, pha lỗ rỗng và pha nước

- Pha rắn: Dựa vào kỹ thuật phân tích bằng kính hiển vi điện tử (ScanningElectron Microscope: SEM), pha rắn của đá xi măng có bốn loại chính gồm: Calciumsilicate hydrate (CSH), Calcium hydroxide (CH), Calcium sulfoaluminates hydrates(C6AŜ3H32: AFt, C4AŜH12: AFm) và xi măng chưa hyđrat (unhydrated clinker grains).+ Calcium silicate hydrate (CSH): chiếm khoảng 50% - 60% tổng thể tích pharắn khi xi măng bị hyđrat hoàn toàn, do vậy CSH là sản hyđrat quan trọng nhất quyếtđịnh tính chất của đá xi măng; tỷ số C/S thay đổi từ 1.5-2 và lượng nước cấu trúc thậmchí còn thay đổi nhiều hơn Hình thái học của CSH cũng thay đổi từ tinh thể dạng sợikém bền đến liên kết đan xen dạng tổ ong trên ô lưới như Hình 1.4 c, d, f

a b

CH

g h

Hình 1.4 Ảnh vi cấu trúc của các sản phẩm hyđrat [10], [11]

+ Calcium hydroxide (CH): tinh thể CH còn có tên gọi khác là portlanditechiếm khoảng 20% - 25% tổng thể tích pha rắn CH có xu hướng hình thành các tinhthể lớn có dạng các lăng trụ sáu cạnh riêng biệt như Hình 1.4 c, e So với CSH thì CHtham gia vào phát triển cường độ hạn chế hơn do diện tích bề mặt của nó nhỏ hơn đáng

kể so với CSH

+ Calcium sulfoaluminates hydrates: chiếm khoảng 15% - 20% tổng thể tíchpha rắn vì vậy nó chỉ đóng vai trò thứ yếu trong việc quyết định cấu trúc của đá ximăng Tùy theo hàm lượng của sulfate và C3A/C4AF mà trong đá xi măng có thể tồntại AFt (tinh thể lăng trụ hình kim như Hình 1.4.g) hoặc AFm (tinh thể dạng tấm sáucạnh như Hình 1.4.h) hoặc hydrogarnet như Hình 1.4.l Sự có mặt của AFm trong đá ximăng làm cho bê tông giảm độ bền do tấn công sun phát Cần lưu ý rằng và AFt vàAFm chứa một lượng nhỏ sắt, chất có thể thay thế cho các iôn alumimum trong cấutrúc tinh thể

+ Unhydrated clinker grains: với công nghệ nghiền hiện nay, đường kính củacác hạt xi măng portland thay đổi từ 1m đến 50m Tùy thuộc vào sự phân bố kích

thước của hạt xi măng và mức độ hyđrát sẽ quyết định số lượng cũng như đường kínhcác hạt xi măng chưa bị hyđrát, thậm chí các hạt xi măng vẫn được tìm thấy trong đá

xi măng sau một thời gian dài sau khi trộn với nước Theo quá trình hyđrát thì đầu tiêncác hạt xi măng nhỏ hơn sẽ bị hyđrát và biến mất, đồng thời sau đó các hạt xi mănglớn hơn sẽ bị hyđrat trở thành các hạt xi măng nhỏ hơn (quá trình hyđrát diễn ra xungquanh các hạt xi măng, sản phẩm hyđrát hình thành tạo thành lớp áo bao quanh các hạt

xi măng) Về hình thái học thì các hạt xi măng chưa hyđrát gần như giống với hạt ximăng gốc như Hình 1.4.m

- Pha lỗ rỗng (voids in the hydrated cement): Cùng với pha rắn, đá xi măngchứa một số dạng lỗ rỗng, nhân tố ảnh hưởng rất quan trọng đến tính chất của đá ximăng Kích thước đặc trưng của các loại lỗ rỗng và của các pha rắn được thể hiện nhưHình 1.5

Hình 1.5 Kích thước đặc trưng của các pha rắn và các dạng lỗ rỗng [11]

+ Khoảng cách giữa các lớp (tấm, thớ) CSH (interlayer space in CSH): Powerscho rằng độ rỗng giữa các lớp CSH là 18 Å và loại lỗ rỗng này chiếm khoảng 28%tổng lỗ rỗng trong pha rắn của CSH; Tuy nhiên, Feldman và Sereda cho rằng khoảngrộng này thay đổi từ 5 Å ÷ 25 Å Với kích thước khe rỗng này sẽ không có ảnh hưởngtiêu cực đến cường độ và tính thấm của đá xi măng Tuy nhiên, nước trong các lỗ rỗngnhỏ này có thể được giữ lại nhờ liên kết hyđro và nó có thể bị đào thải trong một sốđiều kiện nào đó sẽ góp phần gây ra co ngót khô và từ biến [11]

+ Lỗ rỗng mao dẫn (capillary voids): lỗ rỗng mao dẫn đại diện cho không gian

lỗ rỗng không thể bị lấp đầy bởi các thành phần của các pha rắn trong đá xi măng Đốivới đá xi măng được hyđrat tốt với tỷ lệ nước trên xi măng thấp thì lỗ rỗng mao dẫn cóthể thay đổi từ 10 nm ÷ 50 nm; khi tỷ lệ nước trên xi măng lớn và mức độ hyđrat của

xi măng chưa nhiều (sớm tuổi) thì kích thước lỗ rỗng mao dẫn có thể thay đổi từ 3m

÷ 5m Các kết quả nghiên cứu cho rằng sự phân bố của kích thước lỗ rỗng mao dẫnchứ không phải tổng lỗ rỗng mao dẫn chính là yếu tố để đánh giá đặc trưng của đá ximăng Đối lỗ rỗng mao dẫn lớn hơn 50nm được xem là loại macropores và có ảnhhưởng quan trọng đến cường độ và độ thấm nước của đá xi măng Trong khi đó độ

rỗng mao dẫn nhỏ hơn 50nm được xem là loại lỗ rỗng micropores đóng vai trò quantrọng đối với co ngót khô và từ biến.

+ Lỗ rỗng không khí (air voids): Trong khi hình dạng của lỗ rỗng mao dẫnkhông có qui cách thì lỗ rỗng không khí nhìn chung có dạng hình cầu Một lượng nhỏ

lỗ rỗng không khí được hút vào trong quá trình trộn bê tông (lỗ rỗng cuốn khí), ngoài

ra trong một số trường hợp bê tông có dùng phụ gia để tạo lỗ rỗng không khí (lỗ rỗng

có thể đạt đến 3mm) Lỗ rỗng cuốn khí thường thay đổi từ 50m ÷ 200m Cả hai loại

lỗ rỗng khí này đều lớn hơn lỗ rỗng mao dẫn do đó nó ảnh hưởng tiêu cực đến đặctrưng cường độ của đá xi măng

Hình 1.6 Sơ đồ mô tả các loại nước liên quan đến CSH [11]

- Pha nước (water in the hydrated cement): Tùy thuộc vào độ ẩm môi trường và

độ rỗng mà trong đá xi măng có khả năng giữ lại một lượng nước đáng kể và nó tồn tạidưới các dạng nước mao dẫn, nước hút bám, nước trong gen lỗ rỗng và nước liên kếthóa học [11]

+ Nước mao dẫn (capillary water): Đây là nước cư trú trong lỗ rỗng lớn hơnkhoảng 50 Å Dựa trên quan điểm về ảnh hưởng của loại nước này đến tính chất của

đá xi măng, nó có thể được chia thành hai loại: nước trong các khoảng trống lớn hơnkhoảng > 50 nm (0,05 μm), có thể được gọi là nước tự do (vì việc loại bỏ nó khônglàm thay đổi thể tích) và nước được giữ bởi sức căng mao dẫn trong các mao mạchnhỏ (5 đến 50 nm), việc loại bỏ chúng có thể gây co ngót khô cho vật liệu

+ Nước hút bám (adsorbed water): Đây là nước gần bề mặt rắn Dưới ảnhhưởng của lực hấp dẫn, các phân tử nước được hấp thụ vật lý lên bề mặt của chất rắn

Nó được cho là có thể chứa đến sáu lớp phân tử nước (15 Å) có thể được giữ bằng liên

kết hyđro Bởi vì năng lượng liên kết của các phân tử nước riêng lẻ giảm dần từkhoảng cách từ bề mặt rắn, một phần lớn nước bị hấp thụ có thể bị mất khi đá xi măng

bị khô (30% độ ẩm tương đối) Sự mất nước bị hấp thụ là nguyên nhân gây co ngót đá

xi măng

+ Nước trong gen lỗ rỗng (interlayer water): Đây là nước liên quan đến cấu trúcCSH Nó được cho rằng một lớp nước đơn phân tử giữa các lớp của CSH bị giữ chặtbởi liên kết hyđro Nước trong gen lỗ rỗng chỉ bị mất khi khô mạnh (độ ẩm tương đốidưới 11%) Cấu trúc C-S-H co ngót đáng kể đáng kể khi nước giữa lớp bị mất nhưHình 1.6

+ Nước liên kết hóa học (chemically combined water): Loại nước này được kếthợp trong các sản phẩm hyđrat hóa, nó là một phần của pha rắn Do vậy, dựa vào loạinước này có thể xác định được mức độ hydrat của xi măng

1.3 Sự phát triển về cấu trúc lỗ rỗng

- Các hạt xi măng khi thuỷ hoá bao quanh các hạt là lớp nước và quá trình thủyhoá thực hiện dần từ ngoài hạt vào bên trong ngay tức khắc tạo lớp màng kết dính baoquanh hạt xi măng mà bản chất là liên kết ion giữa phần tử hỗn hợp xi măng và phân

tử nước, lớp màng này dày theo thời gian thủy hoá và ngoài nó là lớp nước tự do Tuynhiên, lớp màng liên kết này lại cản trở sự thâm nhập của nước và cùng với thời giantính linh động của các phân tử nước và xi măng giảm dần do vậy làm giảm dần tốc độthủy hoá Lớp liên kết hạt xi măng - nước dầy dần cùng với nó, lớp nước tự do baongoài hạt xi măng mỏng dần, thêm vào đó sự linh động của các hạt xi măng, phần domàng nước gây tính nhớt cho các hạt (có thể tính nhớt này được bổ sung do tác độngcủa phụ gia), phần do tác động của việc trộn hay tác động cơ học có điều kiện gầnnhau dần dần hình thành liên kết và xoá bỏ ranh giới giữa các hạt xi măng Màng liênkết xi măng nước bao quanh các hạt cốt liệu nhỏ và kéo chúng vào hình thành cấu trúc

hồ kết dính vữa xi măng

- Các hạt xi măng liên kết với nước (loại liên kết ion) tạo nên lớp dính (baoquanh hạt và dày theo tiến trình thủy hoá) làm cơ sở để liên kết các hạt xi măng vớinhau (liên kết 12 cơ học) xoá bỏ ranh giới các hạt và đồng thời chúng còn liên kết cơhọc với cốt liệu nhỏ (cát) tạo nên cấu trúc con vữa xi măng liên kết cấu kết dần và tạonên cấu trúc ổn định có tính chất cơ lý Nhưng phản ứng thuỷ hoá vẫn tiếp tục xảy ra,

do vậy trong cấu trúc vẫn tồn tại bộ phận lõi hạt là khối xi măng khan và không gian,giữa các hạt xi măng liên kết là khoảng rỗng có chứa nước

- Các yếu tố tham gian vào cấu trúc:

Vai trò của hạt cát: Mới nhìn có thể nghĩ sự tham gia của hạt cát là thừa, nhưng

nó lại có vai trò hết sức quan trọng trong phần tăng cường ổn định không gian của cáchạt xi măng liên kết, nó có tác dụng như chất hoạt tính tăng cường sự linh động củacác hạt xi măng và phần tử nước kích thích quá trình thuỷ hoá, đồng thời dưới tácđộng của cơ học và sự linh động của bản thân trong dung dịch huyền phù (giai đoạn

nước liên kết keo giữa các hạt xi măng) làm giảm bớt sự cản trở của màng liên kết ximăng nước tạo cho sự thâm nhập của phân tử nước vào bên trong hạt để thủy hoá tiếp.

Do đó tác dụng cuối cùng là giảm lượng lỗ rỗng trong cấu trúc, tăng độ bền, khả năngchịu lực của cấu trúc

- Các hạt xi măng thủy hoá:

Tuy rằng lực dính kết các hạt xi măng tuỳ thuộc phần lớn vào loại xi măng(hàm lượng các thành phần trong xi măng), nhưng mức độ linh động của các hạt ximăng - nước phá vỡ thế cân bằng tạm thời làm cho các hạt xít nhau hơn tạo nên thếcân bằng ổn định hơn và giảm các lỗ rỗng, lực dính các hạt cũng cao hơn Thời điểm

và khoảng thời gian tác động cơ học có ảnh hưởng tới lực dính này Ngoài ra tốc độ,mức độ phản ứng thuỷ hoá ảnh hưởng tới hàm lượng hạt xi măng được thủy hoá, mongmuốn hết thời gian bảo dưỡng bê tông hoặc thời gian bắt đầu chịu lực thì hàm lượng ximăng trong lõi hạt xi măng chưa được thủy hoá là nhỏ nhất

Đá xi măng luôn có các lỗ rỗng (chiếm từ 2 - 30% tùy thuộc vào chất lượng vữa

xi măng) Kích thước các lỗ rỗng tùy thuộc vào tỷ lệ nước trên xi măng, phương phápthi công, sử dụng phụ gia, chất lượng xi măng

- Có thể phân chia lỗ rỗng theo kích thước của đá xi măng như sau:

+ Lỗ rỗng lớn: có kích thước lớn hơn 100µm

+ Lỗ rỗng vừa: có kích thước từ 1.6 – 100µm

+ Lỗ rỗng nhỏ: có kích thước từ 0.6 – 106µm

+ Lỗ rỗng siêu nhỏ: có kích thước nhỏ hơn 0.6µm

+ Lỗ rỗng có ảnh hưởng của chúng tới tính chất của đá xi măng

+ Lỗ rỗng có đường kính ≈ 2µm liên quan đến sự khuếch tán, xâm thực của cácion như Cl-, SO42-… làm ảnh hưởng đến độ bền vững của công trình

+ Lỗ rỗng từ vài chục đến vài trăm µm liên quan đến sự thấm nước và thấm khícủa công trình

- Có hai loại lỗ rỗng đá xi măng: lỗ rỗng kín và lỗ rỗng hở

+ Lỗ rỗng kín không nối với mao quản chỉ ảnh hưởng đến cường độ của đá màkhông ảnh hưởng tới tính chống thấm của đá xi măng

+ Lỗ rỗng hở làm ảnh hưởng tới tính chống thấm của đá xi măng, để giảm bớttính thấm của công trình cần phải có kĩ thuật tốt cũng như phải sử dụng một số loạiphụ gia đặc biệt để giảm tỷ lệ nước trên xi măng, giảm tỷ lệ lỗ trống, mao quản trong

đá xi măng Đây cũng là một yếu tố để tăng cường độ của đá xi măng

1.4 Định nghĩa về co ngót hóa học

Sự co ngót hóa học của vữa bê tông diễn ra theo hai giai đoạn riêng biệt: sớm

và muộn Giai đoạn ban đầu (sớm) thường được định nghĩa là ngày đầu tiên, trong khi

bê tông bắt đầu ngưng kết và bắt đầu đông cứng Giai đoạn muộn thường định nghĩaxảy ra sau 24 giờ Trong hai giai đoạn đoạn này gồm các dạng co ngót như: co ngót

khô, co ngót tự sinh, co ngót nhiệt, co ngót do carbonat Hai giai đoạn co ngót cũngnhư các dạng co ngót được Holt thể hiện như Hình 1.7 [5].

Hình 1.7 Sơ đồ biểu thị các giai đoạn co ngót và kiểu co ngót [5]

Co ngót hóa học được định nghĩa là sự giảm thể tích tuyệt đối (absolutevolume) của hồ xi măng do sự thay đổi về hóa - lý xảy ra trong suốt quá trình hyđratcủa xi măng như Hình 1.8, có nghĩa là tổng thể tích của các pha lỏng và pha rắn sauhyđrat là nhỏ hơn thể tích ban đầu của xi măng và nước

Hình 1.8 Co ngót biểu kiến (tự sinh) và co ngót hóa học (tuyệt đối) [12]

1.5 Nguyên nhân của co ngót hóa học – kết luận chương 1

Trong quá trình rắn chắc thường phát sinh biến dạng thể tích: nở ra trong nước(trước hyđrat) và co lại (sau hyđrat) trong mọi điều kiện (trong nước; hiếm khí hoặckhông khí, minh họa ở Hình 1.8 Về giá trị tuyệt đối độ co lớn hơn nở 10 lần, ở mộtgiới hạn nào đó, độ nở có thể làm tốt hơn cấu trúc của bêtông, hiện tượng co ngót luônluôn kéo theo những hậu quả xấu

Nguyên nhân co ngót hóa học của vữa bê tông, trước hết là sự mất nước trongcác gen xi măng Cấu trúc gen bao gồm những mầm tinh thể đá xi măng nối với nhauthành một chuỗi Trong đó bản thân mầm tinh thể lại được bọc bằng một lớp nước liênkết Nhiều chuỗi liên kết lại thành một mạng lưới không gian, mắt lưới chứa đầy nước

Sự mất nước làm cho các mầm tinh thể xích lại gần nhau và đồng thời các gen cùngdịch chuyển làm cho bê tông bị co rút lại Quá trình cacbonat hoá hiđroxit trong đá ximăng cũng là nguyên nhân gây ra co ngót, co ngót còn là hậu quả của việc giảm thể

tích tuyệt đối của hệ xi măng - nước (bằng khoảng 10% co ngót do gen) Co ngót gây

ra ứng suất co ngót: Nén - trong cốt liệu, cốt thép và Kéo - trong đá xi măng, ứng suấtkéo trong đá xi măng là nguyên nhân gây ra nứt, giảm cường độ, độ chống thấm và độ

ổn định của bê tông và bê tông cốt thép trong môi trường xâm thực Đối với nhữngcông trình có chiều dài lớn, để tránh nứt người ta đã phân đoạn để tạo thành các khe cogiãn Độ co ngót phát triển mạnh trong thời kì đầu và tỉ lệ với mức độ mất nước tự do(do bay hơi, do thuỷ hoá xi măng) trong các mắt lưới của cấu trúc gen và giảm dầntheo thời gian đến một lúc thì có thể tắt hẳn Trị số độ co ngót phụ thuộc vào lượng ximăng, lượng nước và tỉ lệ cát trong hỗn hợp cốt liệu Độ co ngót trong đá xi măng lớnhơn trong vữa và trong bê tông như Hình 1.4.c, d,f Ngoài ra độ co ngót còn phụ thuộcvào chế độ dưỡng hộ Khi dưỡng hộ nhiệt - ẩm; độ co ngót xảy ra mạnh và nhanhchóng hơn trong điều kiện thường, nhưng trị số cuối cùng lại nhỏ hơn 10 - 15% Nhiệt

độ chưng hấp cà ng cao độ co ngót cuối cùng càng nhỏ; khi chưng hấp độ co ngót cònnhỏ hơn 2 lần so với trong không khí

CHƯƠNG 2 XÂY DỰNG CHƯƠNG TRÌNH THÍ NGHIỆM ĐỂ ĐO SỰ CO NGÓT

HÓA HỌC CỦA VỮA BÊ TÔNG SỚM TUỔI

2.1 Vật liệu thí nghiệm

- Xi măng dùng để nghiên cứu là xi măng pooc lăng Sông Gianh PC40SG, tínhchất hóa - lý của xi măng thí nghiệm phù hợp với Tiêu chuẩn Việt Nam về Xi măngPoóc Lăng - Yêu cầu Kỹ thuật TCVN 2682:2009, ASTM C150 (Type I) và EN 197-1:2000 (CEM I 42.5N) Thành phần hóa học và thành phần khoáng của xi măng pooclăng Sông Gianh PC40SG tương ứng được trình bày trong Bảng 2.1 và Bảng 2.2

Bảng 2.1: Thành phần hóa học của xi măng (% theo khối lượng)

Oxide CaO SiO2 Al2O3 Fe2O3 MgO SO3 Na2O K2O

Mấtkhinung

- Nước dùng để trộn tạo hồ vữa xi măng là nước thủy cục thỏa mãn yêu cầu kỹthuật theo Tiêu chuẩn TCVN 4506:2012 - Nước cho bê tông và vữa - Yêu cầu kỹthuật

- Tro bay lấy trực tiếp chưa tuyển từ một nhà máy nhiệt điện ở Khu vực MiềnTrung (Vũng Áng), có độ ẩm 2.8% và thành phần hóa học của tro bay được thể hiệntrong Bảng 2.3 Tro bay được thu gom bằng máy tách cơ khí hay máy tách tĩnh điện từống khói nhà máy nhiệt điện mà sử dụng than nghiền làm nhiên liệu T ro bay dùng đểnghiên cứu là Tro bay tại cụm khu công nghiệp Vũng Áng do Công ty cổ phần Hoa Sencung cấp

Bảng 2.3: Thành phần hóa học của tro bay Vũng Áng (% theo khối lượng)

Thành phần

khoáng SiO2 Al2O3 Fe2O3 SO3 Na2O K2O Cl- CaOtd LOI(%) 56.3 22.62 5.91 0.49 0.15 0.19 0.007 0.0 2.94

2.2 Thí nghiệm xác định tính chất của tro bay

2.2.1 Mẫu tro bay được xác định bằng phương pháp độ hút vôi theo phương pháp nhanh

Phương pháp xác định độ hút vôi là phương pháp hóa học để xác định hoạt tínhcủa phụ gia khoáng hoạt tính Cơ sở của phương pháp là phản ứng của SiO2 hoạt tínhvới Ca(OH)2 Độ hút vôi được tính bằng số mg CaO hấp thụ trên 1 gam phụ gia hoạttính Có hai phương pháp xác định độ hút vôi là phương pháp nhanh và phương phápchậm.

- Phương pháp nhanh:

Cân chính xác 1 gam mẫu đã sấy khô ở 1000C cho vào bình nón có nút nhám sau

đó cho vào bình 100ml dung dịch nước vôi bão hòa, lắc đều trong 1 phút, đặt vào tủsấy giữ ở nhiệt độ 100 - 1100C Sau 15 phút lắc một lần và 30 phút sau dùng pipet hút

ra 50 ml dung dịch, tránh làm vẩn đục dung dịch còn lại Chuẩn độ dung dịch đó bằngHCl 0,1N dùng chỉ thị methyl da cam Tiếp tục bổ sung 50ml nước vôi bão hòa vàobình chứa mẫu lắc đều trong một phút, đặt vào tủ sấy Cứ như thế chuẩn độ khi nào đủ

15 lần thì thôi, cộng 15 lần này lại sẽ thu được độ hút vôi của phụ gia và đưa ra phânloại hoạt tính của phụ gia đó

Số mg CaO do 1 gam phụ gia hút sau lần chuẩn thứ nhất là:

G1=V.ao–V.b1

Gn=(V.an-1 + V.bn-1)/2-V.bn

anlà số ml HCl 0.1N dùng để chuẩn độ 50ml nước vôi trong

bnlà số ml HCl 0.1N dùng để chuẩn độ 50ml dung dịch cho từng lần chuẩn

Bảng 2.4: Phân loại hoạt tính của phụ gia theo độ hút vôi

Độ hoạt tính yếu Từ 30-50 mg CaO/1g phụ gia hấp thụ

Độ hoạt tính trung bình yếu Từ 50-70 mg CaO/1g phụ gia hấp thụ

Độ hoạt tính trung bình Từ 70-100 mg CaO/1g phụ gia hấp thụ

Độ hoạt tính mạnh Từ 100-150 mg CaO/1g phụ gia hấp thụ

Độ hoạt tính rất mạnh Từ >150 mg CaO/1g phụ gia hấp thụ

2.2.2 Xác định thành phần khoáng bằng phương pháp nhiễu xạ tia X

Thiết bị để làm thí nghiệm bằng phương pháp nhiễu xạ tia X như Hinh 2.1

Hình 2.1 Hệ thống máy nhiễu xạ

Phương pháp nhiễu xạ tia X là một trong những phương pháp vật lý quan trọng

và hiệu quả để nghiên cứu thành phần pha, cấu tạo, cấu trúc tinh thể Qua phương phápnhiễu xạ tia X xác định thành phần định tính (thành phần pha), hàm lượng các pha, cấutrúc hình học, các thông số mạng tinh thể, kích thước hạt trung bình và cả sự phân bố,

vị trí các nguyên tử trong tinh thể

Khi chiếu tia X vào hỗn hợp mỗi pha trong hỗn hợp cho một vạch tương ứng nêntrên giản đồ nhiễu xạ tia X tương ứng thu được một hệ vạch độc lập với nhau Phân tíchcác vạch nhiễu xạ sẽ xác định được các pha có mặt trong mẫu

Cấu trúc hình học và thông số mạng tinh thể được xác định dựa vào vị trí góccủa peak nhiễu xạ

Xét một chùm tia X có bước sóng λ chiếu tới một tinh thể chất rắn dưới góctới θ Do tinh thể có tính chất tuần hoàn, các mặt tinh thể sẽ cách nhau những khoảngđều đặn d, đóng vai trò giống như các cách tử nhiễu xạ và tạo ra hiện tượng nhiễu xạcủa các tia X như Hình 2.2

Hiện tượng các tia X nhiễu xạ trên các mặt tinh thể chất rắn, tính tuần hoàn dẫnđến việc các mặt tinh thể đóng vai trò như một cách tử nhiễu xạ

Hình 2.2 Chùm tia X

Nếu ta quan sát các chùm tia tán xạ theo phương phản xạ (bằng góc tới) λ thìhiệu quang trình giữa các tia tán xạ trên các mặt là:

∆L = 2.d.sinθNhư vậy, để có cực đại nhiễu xạ thì góc tới phải thỏa mãn điều kiện:

∆L = 2.d.sinθ = n.λTrong đó, d là khoảng cách giữa các mặt nguyên tử phản xạ, θ là góc phản xạ, λ

là bước sóng tia X và n là số bậc phản xạ Tập hợp các cực đại nhiễu xạ Bragg dướicác góc 2θ khác nhau có thể ghi nhận bằng phim hay detector Trên cơ sở đó phân tíchcác đặc trưng về cấu trúc tinh thể, độ đơn pha và nhiều thông số liên quan khác

Tia X được sinh ra khi chùm e- có vận tốc cao va chạm đột ngột với một tấmkim loại Cu Ống phát tia X gồm 3 bộ phận chính: Nguồn cung cấp e, bộ phận phátcao áp để tăng tốc độ e, anot bằng kim loại

Hiệu điện thế giữa catot và anot: 3-5 kV Tia X có bước sóng: λ= 10-100 nm.Nguồn phát tia X là một ống hình trụ, bên trong làm bằng gốm chịu nhiệt, thường bằng

Cu, Ni, Cr, Fe

Chỉ có 5% tia đập vào bề mặt phát ra tia X, phần còn lại chuyển thành nhiệtnăng Vì vậy để đảm bảo cho máy hoạt động lâu bền phải có hệ thống làm mát bằngnước Nguồn tia X mang năng lượng lớn, nên dễ làm già hóa detector Cần phải chebớt bằng các khe thu tín hiệu nhỏ hơn, phù hợp với từng loại mẫu:

+ Mẫu kết tinh tốt: Đưa khe bình thường

+ Mẫu kết tinh kém: Đưa khe rộng

2.2.3 Xác định cấu trúc vật liệu tro bay bằng phương pháp kính hiển vi điện

Phương pháp kính hiển vi điện tử quét SEM là một phương pháp nghiên cứuđặc điểm hình dáng bề mặt vật liệu, hình thái cấu trúc (cung cấp thông tin về sự kếttinh, kích thước hạt, cho phép quan sát vi cấu trúc), thành phần cấu tạo Ngoài ra ảnhSEM còn cung cấp thông tin về thành phần pha, sự tương tác và phân bố giữa các pha.

Kính hiển vi điện tử quét (SEM - Scanning Electron Microscope) là một kỹthuật phân tích cho phép sự tạo ảnh bề mặt mẫu vật liệu với độ phân giải cao Ở đây,một chùm điện tử hẹp được quét đi, quét lại bề mặt mẫu vật liệu, bức xạ phá t ra saukhi tương tác với mẫu vật liệu sẽ được thu lại và phân tích, từ đó tạo ảnh biểu trưnghình thái cấu trúc của vật liệu Kỹ thuật này được phát minh từ những năm 1940 củathế kỷ trước, thiết bị SEM thương mại đầu tiên được sản xuất tại Cambridge (An h)năm 1965 Sau đó chúng được thay đổi cải tiến nhiều và trở thành một thiết bị thôngdụng để nghiên cứu vật liệu

Việc phát điện tử trong thiết bị SEM sử dụng sung phóng điện tử phát xạ nhiệthoặc phát xạ trường, sau đó tăng tốc cho chùm điện tử Thế tăng tốc của SEM thườngđạt từ 10kV đến 50kV Điện tử sau khi được tăng tốc sẽ hội tụ thành một chùm hẹp(cỡ vài trăm Å đến vài nm) nhờ hệ thống thấu kính từ, sau đó quét trên bề mặt mẫunhờ lực quét tĩnh điện Độ phân giải của SEM được xác định từ kích thước chùm điện

tử hội tụ

Khi tương tác với bề mặt mẫu chất rắn sẽ sinh ra một đám mây điện tử bậtngược trở lại, các tín hiệu này cho phép tạo ảnh bề mặt mẫu vật liệu và thực hiện một

số các phép phân tích như EDS, WDS, phổ Auger, phổ huỳnh quang catot

Những hình ảnh SEM trong bản luận văn này được chụp tại phòng thí nghiệmcủa Khoa Hóa thuộc trường Đại học Bách khoa Đà Nẵng

Ưu điểm của SEM:

- Các thiết bị của SEM cho phép phóng đại > 100000 lần

- Phân tích không phá hủy mẫu, làm việc ở mức độ chân không bình thường

- Chuẩn bị mẫu vật liệu tro bay của nhà máy nhiệt điện tại cụm khu côngnghiệp Vũng Áng và điều khiển thiết bị đơn giản

- Giá thành thiết bị rẻ

2.3 Chuẩn bị mẫu thí nghiệm

Mẫu được chuẩn bị với tỷ l ệ phụ gia tro bay như bảng sau

Bảng 2.5: Mẫu thí nghiệm

Ký hiệu mẫu

Thành phần có phụ gia Tro bay (%)

Số lượng mẫu để thí nghiệm

+ Bác INOX chứa vật liệu

+ Phiểu thủy tinh róc vữa

+ Que đủa thủy tinh

+ Muỗn INOX xúc vật liệu