Bài giảng Vật liệu xây dựng - Chương 8: Xi-măng và phụ gia khoáng thay thế cho xi-măng

1Vật Liệu Xây Dựng (Construction Materials) Bộ môn Vật liệu Silicat Khoa Công Nghệ Vật Liệu Đại học Bách Khoa Tp. Hồ Chí Minh VLXD-Xi-măng và phụ gia cho xi-măng 8-2 Xi-măng và phụ gia khoáng thay thế cho xi-măng Xi-măng Portland, NHỮNG NHẮC LẠI VLXD-Xi-măng và phụ gia cho xi-măng 8-3 Mtons of cement Nguồn : USGS Mineral Commodity summaries 2012 VLXD-Xi-măng và phụ gia cho xi-măng 8-4 Dự đoán sản xuất và tiêu thụ XM Nguồn: European Cement Research Academy (2006) 2 VLXD-Xi-măng và phụ gia cho xi-măng 8-5 Qui trình công nghệ sản xuất T P K H Á C Mỏ nguyên liệu Gia công nghiền, đồng nhất thành phần Nung lò quay Tạo và ủ clinker Nghiền xi- măng Đ Á V Ô I S É T VLXD-Xi-măng và phụ gia cho xi-măng 8-6 Đá vôi Quartz Sét Quặng sắt Klg Thời gian nung trong lò Aluminat Pha lỏng LÒ QUAY Phối l iệu d i chu yển the o nh iệt đ ộ n ung tăng d ần Sấy Calciner Biến đổi hóa lý Phản ứng tạo khoáng Làm nguội VLXD-Xi-măng và phụ gia cho xi-măng 8-7 SP Clinker xi-măng Portland C3S, Alite C2S, Belite Các pha C3A, C4AF và phần pha lỏng, thủy tinh khi nung chảy VLXD-Xi-măng và phụ gia cho xi-măng 8-8 Nghiền clinker + thạch cao Clinker PG thạch cao TP khác - Phụ gia công nghệ, trợ nghiền - Phụ gia đầy,Phụ gia khoáng làm thành phần thay thế clinker XM 3 VLXD-Xi-măng và phụ gia cho xi-măng 8-9
Kiểm soát độ mịn nghiêm ngặt
Blaine, 3200-3700 cm2/g
Loại khác 4000-5000 cm2/g hoặc 2000-3000 cm2/g Chất lượng xi-măng VLXD-Xi-măng và phụ gia cho xi-măng 8-10 Kích thước hạt % tích lũy Chủ yếu 10-50µm GiỚI HẠN SÓT SÀNG 80mm, ≤ 15% theo TCVN 4030-85 VLXD-Xi-măng và phụ gia cho xi-măng 8-11 Thành phần tự do Cặn ko tan 59% 13% 9% 9% Kiểm soát để tránh hiện tượng trương nở 40-60% 15-35% 4-14% 10-18% MgO 4%; CaO tự do 1,5% XRF VLXD-Xi-măng và phụ gia cho xi-măng 8-12 THỦY HÓA Qúa trình xi-măng thủy hóa 59% Ca3SiO5 C3S 13% Ca2SiO4 C2S 9% Ca3Al2O6 C3A 9% Ca4(Al,Fe)2O10 C4AF 4% CaSO4 CŜ C-S-H + CH C6Ŝ3AH32 + C4ŜAH12 Nước T T v ữ a T T đ ó n g r ắ n Nhào trộn Thi công, đổ khuôn Ma trận sp CSH Lỗ rỗng Tỉ lệ N/X Tính công tác, phụ gia hóa học THỦY HÓATHỦY HÓA Biến dạng, co ngót Nứt, gãyCường độ Tính bền 4 VLXD-Xi-măng và phụ gia cho xi-măng 8-13 Đóng rắn trong dung dịch VLXD-Xi-măng và phụ gia cho xi-măng 8-14 Biểu hiện thông qua nhiệt phản ứng Đ Đ ó ó n g r n g r ắ ắ n n N h i N h i ệ ệ t t t t ỏ ỏ a r a t h e o A S T M C 1 8 6 a r a t h e o A S T M C 1 8 6 Hòa tan P.ứ. xảy ra rất chậm P.ứ. nhanh tạo CH, CSH P.ứ. chậm dần tiếp tục tạo CH, CSH 2% 25% 50% tgian VLXD-Xi-măng và phụ gia cho xi-măng 8-15 Hòa tan 3h  Đóng rắn 10h 24hrs VLXD-Xi-măng và phụ gia cho xi-măng 8-16 Cấu trúc sp thủy hóa Lỗ rỗng Cốt liệu C-S-H ngoài dung dịch C-S-H trên bề mặt Hạt XM khan, chưa thủy hóa Các C-H 5 VLXD-Xi-măng và phụ gia cho xi-măng 8-17 C3A Đ Đ ó ó n g r n g r ắ ắ n n N h i N h i ệ ệ t t t t ỏ ỏ a r a t h e o A S T M C 1 8 6 a r a t h e o A S T M C 1 8 6 Hòa tan, hấp thụ một phần SO42- P.ứ. xảy ra rất chậm P.ứ. tạo ettringite 2% 25% 50% tgianP.ứ. tạo ettringite+C3A tạo monosulfate VLXD-Xi-măng và phụ gia cho xi-măng 8-18 Ettringite Monosulfate 7 ngày 24 giờ 10ph VLXD-Xi-măng và phụ gia cho xi-măng 8-19 Các thành phần sp thủy hóa 48% 14% 11% 16% # 3% không pứ VLXD-Xi-măng và phụ gia cho xi-măng 8-20 Ảnh hưởng của nhiệt độ tgian Nhiệt p.ứ. tỏa ra C-S-H, T<200C C-S-H, T<900C C-S C-S-H càng đặc chắc ở T cao, khoảng 700C <T<1000C BẢO DƯỠNG 6 VLXD-Xi-măng và phụ gia cho xi-măng 8-21 PHỤ GIA KHOÁNG HỌẠT TÍNH CHO XI MĂNG VÀ BÊ TÔNG Blast Xỉ lò cao Clinker + Thạch cao limestonePozzolan tự nhiên, đá vôi Fly AshTro bay VLXD-Xi-măng và phụ gia cho xi-măng 8-22 VLXD-Xi-măng và phụ gia cho xi-măng 8-23 Tổng quan 1. Phân loại phụ gia cho xi măng và bê tông Phụ gia cho xi măng và bê tông được chia làm 3 nhóm chính: - Phụ gia khoáng hoạt tính (PGKHT) - Phụ gia hóa học (Phụ gia hóa dẻo hay siêu dẻo). - Phụ gia đầy 2. Phụ gia khoáng hoạt tính: Là những phụ gia khi sử dụng với xi măng portland làm tăng một số tính chất của quá trình đóng rắn xi măng (tính thủy lực) hoặc có hoạt tính pozzolanic, hoặc có cả hai tính chất trên. VLXD-Xi-măng và phụ gia cho xi-măng 8-24 Cơ chế hoạt tính  Hoạt tính pozzolanic - Là khi những vật liệu chứa SiO2 vô định hình hoặc các alumosilicat ở có kích thước hạt rất bé, khi có mặt ẩm thì xảy ra phản ứng hóa học với Ca(OH)2 (sản phẩm của quá trình hydrate hóa xi măng) tạo thành những hợp chất có tính chất như sp thủy hóa của xi măng. - Phụ gia khoáng hoạt tính khi sử dụng cho bê tông thông thường có hàm lượng không vượt quá 60%.  Phụ gia khoáng hoạt tính có thể có khả năng biểu hiện tính thủy lực. Tính thủy lực của phụ gia càng cao khi hàm lượng CaO trong phụ gia càng cao. 7 VLXD-Xi-măng và phụ gia cho xi-măng 8-25 Thành phần, nguồn gốc  PGKHT có thành phần chủ yếu SiO2, Al2O3 hoạt tính hoặc Al2O3,2SiO2 và CaO  SiO2, Al2O3 hoạt tính,Al2O3. 2SiO2 + H2O, Ca(OH)2→ CSH, CAH bền vững và làm tăng cường độ của đá xi măng.  Lấp đầy các khoảng trống do các hạt cốt liệu, các lỗ trống do quá trình mất nước của gel để lại PGKHT và nguồn gốc: - Tro bay loại C (nhiệt điện) - Meta-Kaolanh (khoáng kaolinite tự nhiên) - Silica-Fume (khói silic lò điện) - Tro bay loại F (nhiệt điện) - Xỉ (luyện thép) - Đá phiến nung (đá vôi phiến tự nhiên) VLXD-Xi-măng và phụ gia cho xi-măng 8-26 THÀNH PHẦN HÓA PHỤ GIA KHOÁNG 0,3—1,90,66,32,2Khác 0,4—2,20,40,72,0K2O 0,05—0,50,35,81,0Na2O 0,10,40,494,10,8SO3 0,181,640215CaO 0,580,41611Fe2O3 43200,4121823Al2O3 535090353552SiO2 Meta- kaolin Đá phiến nungSilica fumeXỉ lò cao Tro bay loại C Tro bay loại F% klg VLXD-Xi-măng và phụ gia cho xi-măng 8-27 VLXD-Xi-măng và phụ gia cho xi-măng 8-28 Một số chỉ tiêu 2,502,632,402,942,652,38KL riêng 190,0007300200,00040002000 -7000(4200) 2000 -7000 (4200) Blaine, cm2/g 0,73,03,01,00,52,8MKN, % Meta-kaolin Đá phiến nung Silica fume Xỉ lò cao Tro bay loại CTro bay loại F 7 - 1015 - 355 - 1030 - 4515 - 4015 - 20 Meta-kaolinĐá phiến nungSilica fumeXỉ lò caoTro bay loại CTro bay loại F Hàm lượng sử dụng, % xi măng  Hàm lượng sử dụng của một số phụ gia khoáng hoạt tính 8 VLXD-Xi-măng và phụ gia cho xi-măng 8-29 Chỉ số hoạt tính PGKHT
Mức độ hoạt tính của phụ gia khoáng hoạt tính được đánh giá - Độ hút vôi, theo TCVN 3735-1982→ Thể hiện hoạt tính pozzolanic thang đo YẾU – TRUNG BÌNH – MẠNH. - Chỉ số hoạt tính cường độ IR, theo TCVN 6882-2001: 100×= A B R R RI Trong đó: - RB: Cường độ 28 ngày của hỗn hợp gồm 80% ximăng và 20% phụ gia - RA: Cường độ của xi măng Gía trị IR < 75%, phụ gia không có hoạt tính  Hoặc trường hợp PGK hoạt tính cao TCVN 4315 – 2007, thay thế 50%, yêu cầu gía trị I7ngR > 55% và I28ngR > 75% VLXD-Xi-măng và phụ gia cho xi-măng 8-30 VLXD-Xi-măng và phụ gia cho xi-măng 8-31 Nhóm Pozzolan tự nhiên - Hoạt tính chủ yếu pozzolanic, nhờ quá trình xử lý nhiệt hay nghiền nguyên liệu aluminosilicat tư nhiên. - Sét diatomite nung, opal, đá phiến nung, meta-kaolin, tro núi lửa, đá pumit - Không mang tính kết dính thủy lực Meta-Kaolin SEM của Meta-Kaolin VLXD-Xi-măng và phụ gia cho xi-măng 8-32 3--4882050Đá phiến nung 1,520,20,5142958Sét nung 0,70,40,050,10,10,54353Meta- caolanh MKNK2ONa2OSO3,CaOFe2O3Al2O3SiO2,Oxít, % Thành phần của một số phụ gia pozzolan tự nhiên 2,502,632,40 -2,61Khối lượng riêng 190000 - 20000073006500-13500Diện tích bề mặt, cm2/g ≤105-1015 – 35Hàm lượng sử dụng, % Meta-kaolinĐá phiến nungĐất sét nungChỉ tiêu Một số chỉ tiêu phụ gia pozzolan tự nhiên 9 VLXD-Xi-măng và phụ gia cho xi-măng 8-33 Nhóm Pozzolan tự nhiên  Ảnh hưởng của nhóm puzzolan tự nhiên. - Làm tăng tính công tác của hỗn hợp bê tông - Tăng khả năng bơm - Giảm nhiệt thủy hóa của xi măng - Có khả năng làm tăng cường độ (đặc biệt là meta- kaolanh) - Làm giảm phản ứng alkali silica với cốt liệu VLXD-Xi-măng và phụ gia cho xi-măng 8-34 Nhóm phụ gia xỉ Slag SEM của xỉ - Xỉ là phế phẩm tạo thành của ngành công nghiệp luyện kim - Thành phần chủ yếu là SiO2 vô định hình và các alumosilicat của CaO như C2S, C4AF, CaO và MgO vô định hình. - Kích thước hạt của xỉ thường < 45µm. - Xỉ có thể là chất kết dính độc lập (sử dụng đến 75% với xỉ-XM) VLXD-Xi-măng và phụ gia cho xi-măng 8-35 PG xỉ 0,3- 0,50,3 –0,58 - 1138 - 44~ 1,010 -1334 -37%KL K2ONa2OSO3CaOFe2O3Al2O3SiO2Oxit VLXD-Xi-măng và phụ gia cho xi-măng 8-36 PG Xỉ  Phân loại xỉ: theo ASTM C989 - Xỉ mác 80: có hoạt tính thấp. - Xỉ mác 100: có hoạt tính trung bình - Xỉ mác 120: có hoạt tính cao. 30 - 45%2,85-2,954000-6000<1,5 Hàm lượng sử dụng Khối lượng riêng, g/ cm3 Diện tích bề mặt riêng, cm2/gMKN, %  Một số chỉ tiêu của xỉ 10 VLXD-Xi-măng và phụ gia cho xi-măng 8-37 PG Xỉ  Ảnh hưởng của xỉ đến tính chất của vữa XM, bê tông - Giảm lượng nước sử dụng - Tăng thời gian bắt đầu và kết thúc đông kết - Giảm lượng nhiệt của quá trình hydrat hóa - Giảm phản ứng akali – cốt liệu, tăng khả năng chống phản ứng hóa học môi trường axit HCl Nước tiêu chuẩn xi măng xỉ 20 20.5 21 21.5 22 22.5 23 23.5 24 24.5 25 0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 Hàm lượng xỉ, % T ỷ l ệ n ư ớ c / x i m ă n g , % Thời gian đông kết xi măng xỉ 0 20 40 60 80 100 120 140 160 180 200 220 240 260 280 300 320 340 0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 Hàm lượng xỉ, % T h ờ i g i a n , p h ú t Bắt đầu Kết thúc VLXD-Xi-măng và phụ gia cho xi-măng 8-38 PG Xỉ VLXD-Xi-măng và phụ gia cho xi-măng 8-39 PG Xỉ Cấu trúc đặc chắc hơn khi có xỉ VLXD-Xi-măng và phụ gia cho xi-măng 8-40 PG Tro bay SEM của tro bay Fly Ash - Là sản phẩm của quá trình cháy của nhiên liệu (than và các thành phần khác) trong các nhà máy nhiệt điện. - Thành phần chủ yếu là các SiO2, Al2O3 pha thủy tinh và các oxít Fe2O3, CaO. Trong tro bay hàm lượng pha tinh thể rất ít, có thể có mulite. - Tro bay có cỡ hạt từ 1-100µm, cỡ hạt trung bình khoảng 20µm có dạng hình cầu hoặc hình cầu rỗng - Có thể có tính thủy lực (loại C) 11 VLXD-Xi-măng và phụ gia cho xi-măng 8-41 PG Tro bay Loại F Loại C < 1,34 - 73 - 520 - 285 - 8 15 - 2030- 38 1 - 4 1 - 2< 1,5< 88 - 1520 - 2648 - 55 %KL K2ONa2OSO3CaOFe2O3Al2O3SiO2Oxit  Thành phần hóa của tro bay  Phân loại Theo ASTM C618, tro bay được phân loại theo hàm lượng CaO và C dư - Loại F: hàm lượng CaO ≤ 10% và C dư ≤ 5% - Loại C: hàm lượng CaO có thể đến 30% và C dư ≤ 2% VLXD-Xi-măng và phụ gia cho xi-măng 8-42 PG Tro bay 15 – 40%2,68>4000< 0,7Loại C Loại F Tính chất 15 - 20%~2,38>4000<3,5 Hàm lượng sử dụng Khối lượng riêng, g/ cm3 Diện tích bề mặt riêng, cm2/g MKN, %  Một số chỉ tiêu của tro bay -1550F -1050C -725F -525C Loại tro bay Lượng nước sử dụng thay đổi, % Lượng tro bay, %lượng xi măng sử dụng  Ảnh hưởng PG tro bay đến lượng nước sử dụng VLXD-Xi-măng và phụ gia cho xi-măng 8-43 PG Tro bay  Ảnh hưởng của tro bay làm giảm khả năng tách nước phân tầng của hỗn hợp bê tông 0,0591,75Không phụ gia 0,0441,31 0,0110,34 - Loại C - Loại F ml/cm2% % độ giảm tách nướcLoại tro bay  Tăng thời gian đóng rắn của hỗn hợp BT - Loại F - Loại C ——5:304:15Không phụ gia 1:150:356:454:50 0:450:256:154:40 Kết thúcBắt đầuKết thúcBắt đầu Chênh lệch thời gian, giờ:phútThời gian đông kết, giờ:phút Loại tro bay VLXD-Xi-măng và phụ gia cho xi-măng 8-44 PG Tro bay  Ảnh hưởng đến tính chất của BT đóng rắn - Làm giảm nhiệt thủy hóa của xi măng - Làm giảm khả năng phản ứng kiềm ASR - Tăng khả năng chống ăn mòn do p.ứ. hóa học của BT 12 VLXD-Xi-măng và phụ gia cho xi-măng 8-45 PG Tro bay Ảnh hưởng đến ARS của tro bay và xỉ VLXD-Xi-măng và phụ gia cho xi-măng 8-46 PG Silica Fume  Tổng quan về silica fume Silica fume SEM của Silica fume 85%KL K2ONa2OSO3CaOFe2O3Al2O3SiO2Oxit  Thành phần hoá của Silicafume - Là sản phẩm của quá trình sản xuất sắt silic hoặc hợp kim fero silicon trong lò điện vòm EAF VLXD-Xi-măng và phụ gia cho xi-măng 8-47 PG Silica Fume Phổ XRD của silica fume Các hạt Silica fume chưa phản ứng trong ma trận sp thủy hóa Chủ yếu chứa các SiO2 hoạt tính ở pha thuỷ tinh và có cở hạt rất mịn dạng hình cầu, kích thước từ 0,1 - 1µm, tức 1/100 hạt xi măng. VLXD-Xi-măng và phụ gia cho xi-măng 8-48 PG Silica Fume - Hoạt tính pozzolanic rất cao - Không mang tính thủy lực. - Khả năng lấp đầy lớn vì kích thước hạt bé, dễ phân tán  Một số chỉ tiêu của silica fume 5-10%~2,4~200,000< 5 Hàm lượng sử dụng Khối lượng riêng, g/cm3 Diện tích bề mặt riêng, cm2/ g MKN, % 13 VLXD-Xi-măng và phụ gia cho xi-măng 8-49 PG Silica Fume  Ảnh hưởng của silicafume - Tăng lượng nước nhào trộn. - Gỉam khả năng tách nước, phân tầng của hỗn hợp vữa và bt - Tăng cường độ của vữa hoặc bê tông rất mạnh - Giảm p.ư. ASR và tăng khả năng chống phản ứng hoá học môi trường axit. VLXD-Xi-măng và phụ gia cho xi-măng 8-50 Ảnh hưởng của PGK đến t/c hỗn hợp bêtông Tính chất TăngTăngTăngTăngKhả năng bơm Không xác định Không xác địnhTăngTăng Thời gian đông kết GiảmKhông xác địnhGiảmGiảm Nhiệt tỏa của Hydration Không xác địnhGiảm Không xác địnhGiảm Lượng khí chứa Không xác địnhGiảm Không xác địnhGiảm Khả năng tách nước, phân tầng TăngGiảmTăngTăngTính công tác Không xác địnhTăngGiảmGiảm Lượng nước nhào trộn Pozzolan TỰ NHIÊN Silica fumeXỈ TRO BAY VLXD-Xi-măng và phụ gia cho xi-măng 8-51 Tính chất Không xác định Không xác định Không xác định Không xác địnhCacbonat hoá TăngTăngTăngTăngChống phản ứng hoá học GiảmGiảmGiảmGiảmPhản ứng alkali ASR Không xác định Không xác định Không xác định Không xác địnhĐộ co khô Không xác định Không xác định Không xác định Không xác địnhChống mài mòn Không xác địnhTăng Không xác định Không xác địnhCường độ Pozzolan TỰ NHIÊN Silica fumeXỈTRO BAY Ảnh hưởng của PGK đến t/c hỗn hợp bêtông VLXD-Xi-măng và phụ gia cho xi-măng 8-52 Mục tiêu chung giảm sử dụng clinker 14 VLXD-Xi-măng và phụ gia cho xi-măng 8-53 1995-2009 Nguồn Holcim (2011) VLXD-Xi-măng và phụ gia cho xi-măng 8-54 Nguồn PG khoáng thay thế xi-măng