Bộ giáo dục và đào tạo Trờng Đại học vinh =====***===== Lê thị nga Nghiên cứu phối hợp sử dụng phụ gia hoạt tính tro trấu và metacaolanh để nâng cao chất lợng của vật liệu xi măng pooclăng - cát và vật liệu xi măng pooclăng - cốt sợi tre Chuyên ngành: Hóa vô cơ Mã số : 60.44.25 Luận văn thạc sĩ hóa học Vinh- 2006 1 Lời cam đoan Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của riêng tôi, các số liệu và kết quả nghiên cứu nêu trong luận văn là trung thực, đợc các tác giả cho phép sử dụng và cha từng đợc công bố trong bất kỳ một công trình nào khác. Lê Thị Nga Lời cảm ơn Bản luận văn này đợc hoàn thành tại khoa Hóa - ĐHKHTN - ĐHQG HN, Viện vật liệu xây dựng - Bộ xây dựng Hà nội, Viện khoa học thủy lợi Hà nội, Viện vật liệu polime - ĐHBK Hà Nội và khoa Hóa trờng ĐHV. Trớc hết tôi xin chân thành bày tỏ lòng biết ơn GS.TS Phan Văn Tờng đã tận tình hớng dẫn, giúp đỡ trong suốt quá trình làm luận văn. Tôi cũng xin chân thành bày tỏ lòng biết ơn sự giúp đỡ về mọi mặt của ban quản lý sau đại học - ĐHV, BGH trờng Đại học Vinh, BCN khoa Hóa và quý Thầy Cô giáo tham gia giảng dạy tôi trong suốt quá trình học tập. Tôi xin chân thành cảm ơn các Thầy Cô và các anh chị em trong bộ môn Hóa vô cơ - phòng thí nghiệm hóa vật liệu xây dựng Trờng ĐHKHTN Hà 2 nội, Trung tâm xi măng và bê tông, trung tâm vật liệu hữu cơ và hóa phẩm xây dựng Viện vật liệu xây dựng Bộ xây dựng Hà nội, Phòng nghiên cứu vật liệu Viện khoa học thủy lợi,Trung tâm vật liệu polime - ĐHBK Hà nội và đặc biệt là GS.TSKH Trần Vĩnh Diệu đã tạo tất cả mọi điều kiện cơ sở vật chất trong suốt quá trình thực hiện luận văn. Mặc dù đã có nhiều cố gắng nhng luận văn chắc chắn không tránh khỏi những thiếu sót, Em rất mong đợc thầy cô giúp đỡ để luận văn đợc hoàn thiện hơn. Mục lục Trang phụ bìa Lời cam đoan Lời cảm ơn Mục lục Trang Mở đầu .6 Chơng 1: Tổng quan 8 1.1.Giới thiệu chung về xi măng .8 1.1.1. Xi măng .8 1.1.2.Sự hydrat hóa của khoáng clinke 10 1.1.2.1. Sự hydrat hóa của C 3 S (Alit) .10 1.1.2.2. Sự hydrat hóa của C 2 S (Belit) 11 1.1.2.3. Sự hydrat hóa của C 3 A 11 1.1.2.4. Sự hydrat hóa của C 4 AF 12 3 1.1.3. Hydrat hóa của các khoáng trong ximăng .12 1.1.4. Lý thuyết về đông cứng hồ xi măng 13 1.1.5. Phản ứng puzơlan trong xi măng pha phụ gia khoáng hoạt tính 14 1.1.6. Sự thay đổi thể tích trong quá trình hydrat hóa xi măng .17 1.2. Giới thiệu chung về vật liệu trên cơ sở xi măng cát 18 1.2.1. Khái niệm về đá xi măng, bê tông và bê tông cốt thép 18 1.2.2. Phân loại và đánh giá chất lợng bê tông 19 1.2.3. Các yếu tố ảnh hởng đến chất lợng bê tông .19 1.2.4. Các tính chất cơ, lý, hóa của đá xi măng bê tông và những yếu tố ảnh hởng đến nó. .22 1.2.4.1. Mức độ ổn định thể tích của đá xi măng 22 1.2.4.2. Thời gian đông kết 22 1.2.4.3. Độ rỗng của đá xi măng .23 1.2.4.4. Cờng độ xi măng 23 1.3. Giới thiệu chung về vật liệu trên cơ sở xi măng cốt sợi 24 1.3.1. Giới thiệu chung về bê tông cốt sợi .24 1.3.2. Tổng quan về bê tông cốt sợi tre 25 1.3.3. Khái niệm vật liệu xi măng cốt sợi tre 26 1.4. Giới thiệu về phụ gia tro trấu và metacaolanh 25 1.4.1. Phụ gia tro trấu 27 1.4.1.1. Nghiên cứu tro trấu trên thế giới .27 1.4.1.2. Nghiên cứu tro trấu ở Việt Nam .28 1.4.2. Phụ gia metacaolanh 30 1.5. Sự phối kết hợp giữa các loại phụ gia khoáng 34 1.6. Phơng pháp qui hoạch thực nghiệm .36 chơng 2: thực nhiệm .38 2.1. Nghiên cứu, lựa chọn và chế tạo vật liệu 44 2.1.1. Xi măng pooclăng PC40 Tam Điệp .44 4 2.1.2. Cốt liệu cát .45 2.1.3. Cốt liệu sợi tre 46 2.1.4. Phụ gia metacaolanh 46 2.1.5. Phụ gia tro trấu 49 2.1.6. Xác định độ hút vôi của phụ gia khoáng metacaolanh và tro trấu. 53 2.1.7. Xác định thời gian đông kết của vữa xi măng có phụ gia tro trấu và vữa xi măng có phụ giai metacaolanh 56 2.2. Nghiên cứu xác định tỷ lệ phối hợp của phụ gia metacaolanh và tro trấu trên vật liệu xi măng cát .57 2.2.1. Lựa chon mô hình thực nghiệm .57 2.2.2. Tính toán xử lý kết quả theo mô hình 59 2.2.3. Phân tích kết quả thí nghiệm, xác định tỷ lệ hợp lý của phụ gia .64 2.3. Nghiên cứu vai trò của phụ gia khoáng hoạt tính metacaolanh và tro trấu trên vật liệu xi măng cốt sợi tre 70 2.3.1. Tiến hành đúc mẫu thí nghiệm 70 2.3.2. Kết quả thí nghiệm 71 2.3.3. Nghiên cứu cấu trúc của đá xi măng cốt sợi tre có pha phụ gia tro trấu và metacaolanh 72 Chơng 3: Kết luận và kiến nghị .74 3.1. Kết luận .74 3.2 Kiến nghị 74 5 Chơng 4: Phụ lục 76 Một số hình ảnh trong quá trình thực hiện đề tài Tài liệu tham khảo .80 Mở đầu Hiện tại và trong nhiều năm tới, nhịp độ xây dựng ở Việt Nam đang phát triển một cách nhanh chóng. Một điều cần lu ý là Việt Nam nằm trong vùng có khí hậu khắc nghiệt: nắng nhiều, ma lắm, độ ẩm cao do đó để nâng tuổi thọ của công trình lên cần phải có loại bê tông chất lợng cao. Bởi vậy bắt buộc phải sử dụng các loại phụ gia khác nhau mới sản xuất đợc bê tông chất lợng cao đáp ứng cho các công trình xây dựng. Đặc biệt nhu cầu về các loại bê tông đặc chủng để xây dựng các công trình bê tông ở ven biển, hải đảo, xây dựng và sửa chữa cho một mạng lới cầu cống và các công trình thủy lợi ở khắp mọi miền đất nớc. 6 Do chất lợng xi măng cha cao, cha sử dụng các loại phụ gia một cách hợp lý và có thể cả nguyên nhân thiết kế và kỹ thuật thi công nên rất nhiều công trình có tuổi thọ rất thấp, có những công trình chỉ mới sử dụng 15-20 năm đã h hỏng nặng nề nên phải tiến hành sửa chữa lại tốn kém. Tuy nhiên có những đặc điểm riêng và điều kiện không thuận lợi, khiến cho tuổi thọ có thể bị rút ngắn và gây nên những tổn thất to lớn nh là: các công trình mà tiếp xúc với nớc hoặc tiếp cận với môi trờng ẩm ớt, môi trờng xâm thực dễ bị ăn mòn. Khi công trình nằm trong nớc, nớc có thể thấm vào bê tông, hòa tan vôi để vôi tiết ra ngoài, vôi ở đây là Ca(OH) 2 , đợc tạo ra trong bê tông do tác dụng của các thành phần khoáng của xi măng (silicat 3 canxi-C 3 S và silicat 2 canxi-C 2 S .) với nớc khi xi măng thủy hóa. Vôi tiết ra tạo ăn mòn rửa trôi (ăn mòn loại 1) làm cho cấu trúc của đá xi măng và bê tông bị rỗng. Ngoài ra các ion SO 4 2- , Na + , K + , Mg 2+ có phản ứng với ion Ca 2+ trong đá xi măng, tạo ra quá trình ăn mòn dạng 2. Trong những điều kiện xác định của muối sunfat natri và manhe (Na 2 SO 4 và MgSO 4 ) nằm trong các mao mạch của bê tông gây ăn mòn dạng 3. Quá trình ăn mòn đối với kết cấu bê tông càng nghiêm trọng theo thời gian, dẫn dến phá hoại công trình. Trong thực tế nhiều công trình đã bị ăn mòn phá hoại nh vậy và khởi nguồn từ việc thấm nớc vào bê tông và hiện tợng tích vôi từ bê tông vào môi tr- ờng nớc. Vì vậy việc chống thấm nớc cho bê tông và ổn định thành phần vôi trong đá xi măng và bê tông có ý nghĩa rất quan trọng, nhằm nâng cao độ bền của bê tông nói chung. Việc sử dụng phụ gia hoạt tính nghiền mịn trong bê tông thờng là một trong những giải pháp hữu hiệu nhằm khắc phục những vấn đề trên. Ngoài ra cũng nhờ có phản ứng puzơlan chúng còn cải thiện dáng kể cờng độ và độ chắc đặc của bê tông góp phần tăng cờng khả năng chống xâm thực của bê tông về sau. Phụ gia hoạt tính là một chất vô cơ, ngời ta có thể sử dụng một loại phụ gia hoạt tính hay hỗn hợp nhiều phụ gia hoạt tính trong bê tông, tùy thuộc vào mục đích và giá thành của loại bê tông đó. Trong tiêu chuẩn TCXD 191:1995 có 7 định nghĩa phụ gia hỗn hợp là phụ gia đợc chế biến từ các phụ gia khác nhau và có khả năng điều chỉnh một số tính chất của bê tông. Tại Mỹ, giáo s Michael Thomas đã nghiên cứu phối hợp hai phụ gia khoáng hoạt tính tro bay và muội silic dùng trong bê tông tính năng cao[48]. Các kết quả nghiên cứu cho thấy khi kết hợp muội silic, tro bay theo tỷ lệ hợp lý sẽ cho kết quả tốt hơn so với việc sử dụng riêng từng loại, còn tác giả Nguyễn Văn Chánh với đề tài luận án tiến sĩ đã sử dụng tro trấu để cải biến vật liệu nền xi măng pooclăng nhằm phát triển độ bền của bê tông cốt sợi xơ dừa. Riêng chúng tôi lại muốn nghiên cứu việc sử dụng phối hợp hai loại phụ gia tro trấu và metacaolanh trên 2 loại vật liệu: thứ nhất là vật liệu xi măng pooclăng-cát ở tỷ lệ nào của hai phụ gia thì kết quả là tốt nhất, thứ 2 là trên vật liệu xi măng pooclăng-cốt sợi tre. Do vậy chúng tôi thực hiện đề tài Nghiên cứu phối hợp sử dụng phụ gia hoạt tính tro trấu và metacaolanh để nâng cao chất lợng của vật liệu xi măng poocloăng cát và vật liệu xi măng pooclăng cốt sợi tre Chơng 1: tổng quan 1.1.giới thiệu chung về xi măng 1.1.1. Xi măng Xi măng là tên gọi chung của nhóm chất kết dính có đặc tính ngng kết và đóng rắn khi phản ứng với nớc. Xi măng pooclăng đợc sản xuất lần đầu tiên ở Anh bằng phơng pháp nung hỗn hợp đá vôi và đất sét. Hiện nay nguyên liệu để sản xuất xi măng không chỉ đá vôi, đất sét mà có thể dùng nhiều vật liệu khác nhau nh đá macnơ, đất sét, xỉ lò cao . Mặc dù đợc sản xuất từ thế kỷ 19 nhng do những u điểm nổi bật (cờng độ cao, rắn nhanh .) nên xi măng pooclăng đã trở thành chất kết dính quan trọng nhất trong ngành xây dựng cơ bản. 8 Sản xuất xi măng có theo tóm tắt theo sơ đồ sau: 1450 o C nghiền Hỗn hợp nguyên liệu Clinke Xi măng (CaO, SiO 2 , Al 2 O 3 , (Ca 3 SiO 5 , Ca 3 Al 2 O 6 , Fe 2 O 3 .) Ca 2 SiO 4 .) Trong quá trình nghiền clinke ngời ta thờng cho thêm vào khoảng 5% lợng thạch cao (CaSO 4 .2H 2 O) với mục đích điều chỉnh thời gian đông rắn của vữa Bảng 1.1. Thành phần hóa học của xi măng pooclăng thông thờng Oxit Hàm lợng (%) Oxit Hàm lợng (%) CaO 63 67 MgO 5 SiO 2 21 24 TiO 2 0,3 Al 2 O 3 4 7 Mn 2 O 3 < 1,5 Fe 2 O 3 2,5 - 4 Na 2 O, K 2 O < 1,5 Các oxit trong clinke đều ảnh hởng đến thành phần pha của clinke * Đặc tính của các oxit trong xi măng - CaO: về cơ bản phản ứng hết với SiO 2 , Al 2 O 3 , Fe 2 O 3 để tạo thành những pha chính của clinke. Hàm lợng CaO lớn tạo thành clinke có nhiều C 3 S làm cho xi măng phát triển cờng độ nhanh, mác cao, tuy nhiên xi măng có nhiều CaO tự do kém bền trong môi trờng nớc và các môi trờng xâm thực khác. - SiO 2 : tác dụng chủ yếu với CaO tạo thành khoáng silicat canxi (C 3 S. C 2 S). Nếu quá nhiều SiO 2 , pha C 2 S tăng dẫn đến thời gian đóng rắn dài, cờng độ phát triển chậm nhng vẫn đảm bảo mác xi măng. Xi măng có hàm lợng SiO 2 cao sẽ có độ bền cao trong môi trờng xâm thực. - Al 2 O 3 : chủ yếu phản ứng với CaO, Fe 2 O 3 tạo thành pha canxi aluminat và canxi alumoferit. Xi măng chứa nhiều Al 2 O 3 ninh kết nhanh nhng tỏa nhiệt lớn, kém bền tronng môi trờng sunfat 9 - Fe 2 O 3 : chủ yếu tạo thành pha alumoferit làm cho xi măng tỏa nhiệt thấp, bền trong môi trờng sunfat. - MgO: hầu hết ở dạng tự do, phản ứng chậm với nớc. Xi măng có hàm l- ợng MgO lớn sẽ không ổn định thể tích. - Na 2 O, K 2 O: trong quá trình nung ở nhiệt độ cao, oxit kiềm một phần thăng hoa bay theo bụi, một phần tan trong pha lỏng tạo thành thủy tinh hay tham gia phản ứng tạo pha chứa kiềm của C 2 S và C 3 A. Xi măng chứa nhiều kiềm sẽ làm giảm cờng độ, không ổn định thể tích. Thành phần các oxit chính CaO, Al 2 O 3 , Fe 2 O 3 , SiO 2 và các quá trình nung luyện tạo nên bốn pha chính trong clinke. Bảng 1.2. Thành phần pha của clinke Công thức Ký hiệu Thành phần (%) 3CaO.SiO 2 C 3 S 37 65 2CaO.SiO 2 C 2 S 10 37 3CaO.Al 2 O 3 C 3 A 5 15 4CaO.Al 2 O 3 .Fe 2 O 3 C 4 AF 10 - 18 Công nghệ sản xuất xi măng ngày càng đợc cải tiến và tùy thuộc vào mục đích sử dụng mà ngời ta có thể thay đổi, khống chế thành phần của xi măng bằng sự thay đổi thành phần của clinke hoặc cho thêm các phụ gia thích hợp. Khi thay đổi thành phần sẽ làm thay đổi tính chất của xi măng. Có thể kể ra một số loại xi măng sau: + Xi măng thờng: có thành phần ở bảng 1.1. 10 . trên vật liệu xi măng pooclăng- cốt sợi tre. Do vậy chúng tôi thực hiện đề tài Nghiên cứu phối hợp sử dụng phụ gia hoạt tính tro trấu và metacaolanh để nâng. hợp lý của phụ gia. 64 2.3. Nghiên cứu vai trò của phụ gia khoáng hoạt tính metacaolanh và tro trấu trên vật liệu xi măng cốt sợi tre 70