Bài giảng Chất kết dính vô cơ

Click to edit Master title style Click to edit Master text styles Second level Third level Fourth level Fifth level 3/1/2011 ‹#› Chƣơng 4 CHẤT KẾT DÍNH VÔ CƠ GVTH: CAO NGUYÊN THI KHÁI NIỆM CHUNG Dạng bột mịn (Xi măng) Nhào trộn với nƣớc tạothành vữa dẻo Qua quá trình biến đổi hóa lý sẽ rắn chắc nhƣ đá KHÁI NIỆM CHUNG Chất kết dính vô cơ Khối rắnchắc (bê tông, gạch silicate) Cốt liệu (đá, sỏi,cát) PHÂN LOẠI Chất kết dính vô cơ rắn trong không khí • Sau khi nhào trộn với nƣớc hoặc dung môi tạothành hỗn hợp chỉ có khả năng rắn chắc và phát triển cƣờng độ trong không khí • Thạch cao xây dựng & Vôi Chất kết dính vô cơ rắn trong nƣớc • Sau khi nhào trộn với nƣớc tạo thành hỗn hợpcó khả năng rắn chắc và phát triển cƣờng độ trong không khí & trong nƣớc • Vôi thủy & Xi măng Portland CHẤT KẾT DÍNH VÔ CƠ RẮN TRONG KHÔNG KHÍ 1) Thạch cao xây dựng  Quy trình chế tạo: Nung đá thạch cao(150-170oC) Nghiền mịn to Thạch cao xây dựng CaSO4.2H2O → CaSO4.0,5H2O + 1,5H2O Trƣớc tiên cần loại bỏ tạp chất → đập nhỏ (tùy vào công nghệ sản xuất) → nung  Thạch cao xây dựng CaSO4.0,5H2O  Thạch cao xây trát  Thạch cao đúc tƣợng  Thạch cao khan nƣớc CaSO4  Thạch cao nung ở nhiệt độ cao (Thạchcao Estrich )  Thạch cao cƣờng độ cao (Cẩm thạch)  Thạch cao xây trát a. Nung đá thạch cao thành thạch cao CaSO4.0,5H2O b. Dùng làm vữa xây trát, làm khuôn trong công nghiệp gốm sứ  Thạch cao đúc tƣợng a. Nung đá thạch cao tinh khiết b. Dùng để đúc tƣợng thạch cao  Thạch cao Estrich a. Nung đá thạch cao ở nhiệt độ cao (1200oC) đến khi tách nƣớc hoàn toàn b. Cho cƣờng độ cao hơn thạch cao CaSO4.0,5H2O c. Dùng lăn nền, xây trát  Thạch cao cẩm thạch a. Nung đá thạch cao thành thạch cao CaSO4.0,5H2O → ngâm phèn → nung đến tách nƣớc hoàn toàn b. Miết mạch các tấm tƣờng, tô trát những nơi cần độ cứng cao  Hai dạng thù hình của thạch cao:  α-CaSO4.0,5H2O đƣợc tạo thành khi nungthạch cao trong không khí bão hòa hơi nƣớc. Tinh thể lớn, cƣờng độ sau 7 ngày (15-40MPa)  β-CaSO4.0,5H2O đƣợc tạo thành khi nungthạch cao trong không khí khô. Tinh thểhạt mịn, cƣờng độ thấp  Quá trình rắn chắc của thạchcao CaSO4.0,5H2O 1. Thời kỳ hòa tan  Thạch cao hòa tan vào dung dịch và bắt đầu thủy hóa CaSO4.0,5H2O + 1,5H2O → CaSO4.2H2O Dung dịch dần đạt trạng thái bão hòa 2. Thời kỳ ninh kết (hóa keo)  CaSO4. 0,5H2O có độ hòa tan lớn hơn nhiều so với CaSO4.2H2O nên dung dịch đạt trạng thái quá bão hòa rất nhanh  CaSO4.2H2O mới sinh ra tồn tại dạng những hạt keo nhỏ  Dung dịch mất nƣớc dần, các hạt keo gần lại, hỗn hợp mất tính dẻo 3. Thời kỳ rắn chắc  Trong thể keo dung dịch bắt đầu xuất hiện các tinh thể  Các tinh thể xuất hiện ngày càng nhiều & liên kết chặt chẽ với nhau  Hỗn hợp đặt dần lại, bắt đầu phát triển cƣờng độ  Thạch cao khi rắn chắc nở 1% thể tích  Cả 3 quá trình không riêng biệt mà xen kẻ nhau  Các tính chất của thạch caoxây dựng a) Thời gian ninh kết  Thời gian bắt đầu ninh kết không nhỏ hơn 6 phút  Thời gian ninh kết xong không quá 30 phút  Có thể dùng phụ gia để điều chỉnh thời gian ninh kết + Na2SO4, NaCl → giảm thời gian ninh kết+ Vôi → tăng thời gian ninh kết b) Cƣờng độ  Đƣợc xác định bằng thí nghiệm ép mẫu có kích thƣớc 7,07x7,07x7,07 (cm) hay 4x4x16 (cm)  Cƣờng độ xác định sau 1g30p trộn thạch cao với nƣớc, yêu cầu nhƣ sau + Điều kiện bình thƣờng: Thạch cao loại 1: R>4,5 MPa Thạch cao loại 2: R>3,5 Mpa+ Điều kiện đƣợc sấy khô: Thạch cao loại 1: R>10 MPa Thạch cao loại 2: R>7,5 Mpa c) Độ mịn và lƣợng nƣớc nhào trộn  Độ mịn cao, cƣờng độ cao  Lƣợng nƣớc nhào trộn lớn, cƣờng độ giảm d) Khối lƣợng riêng: 2,6 -2,7 g/cm3 e) Khối lƣợng thể tích 0,8 -1,0 g/cm3 2. Vôi không khí (CaO)  Quy trình chế tạo: nung đá vôi đã đƣợc đập nhỏ với kích thƣớc 5-20 cm ở nhiệt độ 900- 1000oC CaCO3 to CaO + CO2  Chú ý: Trong quá trình nung có thể gặp những trƣờng hợp sau: + Nung non lửa: bề mặt ngoài đã chín nhƣng phần trong lõi còn sống. Loại vôi này hàm lƣợng CaO thấp, vôi đem tôi bị sƣợng, kém chất lƣợng. + Nung già lửa: do nhiệt độ nung quá cao, những tạp chất sét bên ngoài chảy ra bao bọc quanh hạt vôi tạo thành một màng keo cứng bên ngoài. Do đó vôi khó tôi, hạt sƣợng, kém dẻo.  Nhiệt độ nung vôi phụ thuộc vào:  Thành phần đá vôi  Hàm lƣợng tạp chất Loại lò nung  Tốc độ nung đá vôi phụ thuộc vào:  Kích thƣớc cục đá vôi  Nhiệt độ nung  Thời gian nung Ứng dụng của vôi không khí Bột vôi sống Vôi tôi • Nghiền mịn vôi sống cục thành dạng bột • Sử dụng trực tiếp nhƣ xi măng • Tôi vôi sống cục thành vôi tôi • Sử dụng rộng rãi trong xây dựng Quá trình tôi vôi  Phản ứng tỏa nhiệt mạnh làm nóngkhối vữa đến 400oC CaO + H2O Ca(OH)2  Đây là phản ứng thuận nghịch → đểduy trì phản ứng theo chiều thuận cần phải giảm nhiệt độ tôi vôi  Sau khi tôi thể tích tăng 1,5 - 3,5 lầnso với thể tích ban đầu Các yếu tố ảnh hƣởng đến quá trình tôi vôi  Kích thƣớc cục vôi  Nhiệt độ môi trƣờng xung quanh Thành phần hóa học của vôi Nhiệt độ nung vôi Các sản phẩm của quá trình tôi vôi 1. Vôi bột:  Lƣợng nƣớc vừa đủ (32,14% CaO)  Sản phẩm thu đƣợc là 100% Ca(OH)2 dạng bột mịn  Dùng nhiều trong y học và nông nghiệp Khối lƣợng riêng 2,1 g/cm3  Khối lƣợng thể tích 0,4 - 0,5 g/cm3 2. Vôi nhuyễn  Dùng lƣợng nƣớc nhiều hơn  Sản phẩm thu đƣợc 50% Ca(OH)2, 50%H2O, dạng bột dẻo  Dùng nhiều ở dạng vữa xây, vữa trát 3. Vôi sữa  Dùng lƣợng nƣớc nhiều hơn nữa, nếu vôi hoạt tính cao thì 1kg CaO đƣợc 5 lít vôi sữa A. Nếu vôi có độ hoạt tính cao (% CaO nhiều) → khi tôi phải cho đủ nƣớc vào cùng 1 lúc tránh xảy ra phản ứng: Ca(OH)2 + CO2 → CaCO3 +H2O B. Nếu vôi có độ hoạt tính thấp, cho nƣớc vào từ từ tránh hiện tƣợng “lạnh đột ngột” làm “sƣợng” sản phẩm Bột vôi sống  Thu đƣợc bằng cách nghiền mịn vôisống cục (>90% qua sàng 4900lỗ/cm2) Ƣu điểm Bột vôi sống • Không tốn thời gian tôi • Tận dụng nhiệt thủy hóa cho phản ứng silicate giữa vôi và cát • Cƣờng độ vữa cao hơn vôi nhuyễn • Loại trừ đƣợc những hạt sƣợng do non lửa, già lửa Vôi nhuyễn • Chế tạo đơn giản • Dễ sử dụng • An toàn • Bảo quan không phức tạp • Không tiêu tốn năng lƣợng nghiền Nhƣợc điểm Bột vôi sống • Bảo quản khó khăn, do hấp thu CO2 trong không khí trởthành CO3 • Bảo quản không quá 1 tháng trong kho • Tiêu tốn nhiều năng lƣợng nghiền • Không an toàn Vôi nhuyễn • Thời gian tôi lâu • Khi chế tạo vữa, không có phản ứng silicate • Cƣờng độ vữa thấp Các chỉ tiêu đánh giá chất lƣợng vôi 1) Nhiệt độ & tốc độ tôi  Nhiệt độ tôi: nhiệt độ cao nhất đạt đƣợc khi cho 10g bột vôi sống đã nghiềnmịn (lọt sàng 900 lỗ/cm2) tác dụng với 20 ml nƣớc ở 20oC Căn cứ vào nhiệt độ tôi phân làm 2 loại:+ Loại phát nhiều nhiệt : to tôi > 70oC+ Loại phát ít nhiệt : to tôi = 20 phút 2. Hàm lƣợng vôi nhuyễn do 1kg vôi sống sinh ra:  Dùng 200g vôi sống cục (5-10mm) cho vàobình dung tích 2 lít đổ nƣớc ngập 1-2 cm để tôi vôi.  Khi tôi, nƣớc cạn thì thêm nƣớc cho đến khi tôi xong  Cuối cùng tính đƣợc thể tích vôi nhuyễn do 1kg vôi sống cục sinh ra + Vôi có độ hoạt tính cao: >2,4 (l/kgCaO)+ Vôi có độ hoạt tính trung bình: >2,0 (l/kgCaO) + Vôi có độ hoạt tính thấp: >1,6 (l/kgCaO) 3. Độ hoạt tính của vôi  Là tổng hàm lƣợng CaO+MgO có trong vôi; %(CaO+MgO) càng cao thì vôi có hoạt tính càng lớn  Lấy vôi nhuyễn của thí nghiện trên, cho nƣớc vào đáng thành vôi sữa lọc qua sàng No63  Sấy khô hạt sƣợng  Dùng dd HCL 1N để chuẩn độ  %(CaO+MgO) đƣợc tính theo công thức: + ϑ : Lƣợng dd HCl 1N dùng chuẩn độ, ml + g : Khối lƣợng mẫu vôi thử, 1gram + K : Hệ số điều chỉnh cho độ chuẩn của dd HCl  Vôi có độ hoạt tính cao: %(CaO+MgO) > 88 Vôi có độ hoạt tính tb: %(CaO+MgO) > 80 Vôi có độ hoạt tính thấp: %(CaO+MgO) > 70 4. Độ mịn của vôi bột và vôi sống  Lƣợng sót sàng No063 (124 lỗ/cm2) 80% 5. Phụ gia hoạt tính: pouzoland 6. Phụ gia trơ: cát, bột đá 7. Nhiên liệu: than, gas, dầu Thành phần hóa của xi măng Portland Các oxyt Hàm lượng CaO 63-67% SiO2 21-24% Al2O3 4-7% Fe2O3 2-4% MgO <4,5% SO3 <3% R2O <1,5% Mn2O3 <1,5% 1. CaO: chủ yếu  Tăng cƣờng độ  CaO quá nhiều → nung luyện khó, tốn nhiệt, giảm độ bền lò, CaOtd nhiều thì xi măng kém bền trong môi trƣờng xâm thực 2. SiO2: chủ yếu  XM bền trong môi trƣờng xâm thực  Quá nhiều → Clinker ra lò dễ tả thành bột, chất lƣợng giảm 3. Al2O3:  Giúp thời gian ninh kết và rắn chắc của xi măng nhanh hơn  Quá nhiều, xi măng rắn nhanh, tỏa nhiều nhiệt, kém ổn định trong môi trƣờng xâm thực 4. Fe2O3:  Giảm nhiệt độ kết khố của clinker  Tăng độ bền của xi măng trong môi trƣờng xâm thực 5. MgO & R2O: xi măng kém ổn định thể tích Thành phần khoáng Tên khoáng vật Công thức Ký hiệu Hàm lượng trong Clinker Silicate Tricalcite 3CaO.SiO2 C3S 45-60% Silicate Bicalcite 2CaO.SiO2 C2S 15-30% Aluminate Tricalcite 3CaO.Al2O3 C3A 7-15% Ferro Aluminate Tetracalcite 4CaO.Al2O3.Fe2O3 C4AF 10-18% 1. C3S:  Chủ yếu, quan trọng nhất  Tốc độ hydrat hóa nhanh, tỏa nhiều nhiệt, ít co thể tích  Cƣờng độ phát triển lớn nhất trong các khoáng 2. C2S:  Thời gian đầu cƣờng độ phát triển chậm nhƣng về sau ổn định  Nhiệt thủy hóa thấp nhất trong các khoáng 1. C3A:  Thời gian đầu tốc độ hydrat hóa nhanh Nhiệt thủy hóa cao  Cƣờng độ phát triển trung bình 2. C4AF:  Tăng độ bền xi măng trong môi trƣờng xâm thực  Khoáng có khối lƣợng riêng lớn nhất Các hệ số & module của xi măng 1) Module thủy lực: m = 1,7 -2,4 2) Module silicate: n = 1,7 - 3,5 3) Module aliminate: p = 1,0 -3,0 3) Hệ số bão hòa vôi: p = 0,85 -0,95 <1 Quy trình sản xuất 1. Chuẩn bị nguyên vật liệu:  Đá vôi và đất sét đƣợc sấy, nghiền đồng thời trong máy nghiền bi hoặc nghiền đứng (W=1-2%)  Hỗn hợp phối liệu sau đó đƣa vào silo chứa để kiểm tra thành phần hóa và dự trữ 2. Nung: có 6 vùng nhiệt độ: a) Vùng bay hơi: (70-200oC) nƣớc tự do bay hơi b) Vùng đốt nóng: (200-700oC) tạp chất hữu cơ đƣợc đốt cháy hết, nƣớc hóa họctrong đất sét bay hơi hết. Al2O3.2SiO2.2H2O → Al2O3.2SiO2 + 2H2O c) Vùng calci hóa: (700-1100oC) 20-23% chiều dài lò. Tạo C3A, CA, một phần C2S d) Vùng phóng nhiệt: (1100-1250oC) 5-7% chiều dài lò. Tạo ra C2S, C3A, C4AF . Các phản ứng đều phát ra nhiều nhiệt. Tại đây phản ứng pha rắn kết thúc. e) Vùng kết khối: (1250-1450oC) 10-15% chiều dài lò. C3A, C4AF & các tạp chất dễ chảy khác chảy ra. Tạo C3S f) Vùng làm lạnh: (1450 - 1300oC) 2-4% chiều dài lò 3. Nghiền Clinker:  Clinker khi ra lò cần ủ trong kho 10-15 ngày để:  CaOtd hút ẩm tả thành bột tạo thành Ca(OH)2, hoặc cacbonat hóa tạo CaCO3  Giúp clinker dễ nghiền, xi măng portland ổn định trong quá trình sử dụng  Khi nghiền cần cho thêm:  3-5% đá thạch cao để kéo dài thời gian ninh kết của xi măng Portland  <25% phụ gia vô cơ hoạt tính để cải thiện tính bền nƣớc cho xi măng Portland  <10% phụ gia trơ nhằm tăng sản lƣợng Quá trình rắn chắc của xi măng Portland 1. Giai đoạn hòa tan:  Trên bề mặt hạt xi măng, các khoáng chủ yếu C3S, C2S, C3A, C4AF sẽ tác dụng với nƣớc 2(3CaO.SiO2) + 6H2O → 3CaO.2SiO2.3H2O + 3Ca(OH)2 2(2CaO.SiO2) + 4H2O → 3CaO.2SiO2.3H2O + Ca(OH)23CaO.Al2O3 + 6H2O → 3CaO.Al2O3.6H2O 4CaO.Al2O3.Fe2O3 + mH2O → 3CaO.Al2O3.6H2O + CaO.Fe2O3.nH2O CaO.Fe2O3.nH2O + 2Ca(OH)2 → 3CaO.Fe2O3.6H2O + qH2O  Do có mặt đá thạch cao: 3CaO.Al2O3 + 3CaSO4.2H2O + 26H2O → 3CaO.Al2O3.3CaSO4.32H2O (gây nở thể tích) 2. Giai đoạn hóa keo:  Các muối sufoaluminat calci và sản phẩm C-S-H không tan, tồn tại ở dạngkeo phân tán.  Chất keo sinh ra càng lúc càng nhiều Nƣớc tự do bốc hơi, các hạt keo phân tán ngƣng tụ lại thành những hạt lớn hơn tạo thành thể ngƣng keo.  Thể ngƣng keo phát triển tiếp, vữa mất tính dẻo, đông đặc dần  Xi măng chƣa có cƣờng độ 3. Giai đoạn kết tinh:  C-S-H ở thể keo, dần dần chuyển sang dạng tinh thể.  Lƣợng nƣớc ngày càng mất đi, keo dần khô lại, toàn bộ hỗn hợp trở nên rắn chắc Các tính chất của xi măng Portland 1. Khối lƣợng riêng (2,97-3,15 g/cm3):  Nhiệt độ nung cao, γa tăng  Hàm lƣợng C4AF cao, γa tăng  Có thêm phụ gia hoạt tính, phụ gia trơ, γa giảm  γa tăng, chống tia bức xạ, phóng xạ Muốn tăng γa có thể thay CaO bằng BaO, (5,4 g/cm3), dùng xây công trình chống phóng xạ  γa tăng, dùng đƣợc trong môi trƣờng xâm thực biển 2. Khối lƣợng thể tích (1,2 g/cm3) :  Độ mịn tăng, γo tăng  Độ tơi xốp tăng, γo giảm 3. Độ mịn (2800-3300 cm2/g):  XM càng mịn, rắn chắc nhanh, cƣờng độ cao  XM càng mịn, lƣợng nƣớc yêu cầu cao 4. Lƣợng nƣớc tiêu chuẩn:  Là lƣợng nƣớc (% so với khối lƣợng xi măng) đảm bảo hồ xi măng đạt độ dẻo tiêu chuẩn  Phụ thuộc thành phần khoáng, độ mịn 5. Thời gian ninh kết:  Thời gian bắt đầu ninh kết: từ lúc trộn xi măng với nƣớc đến lúc mất tính dẻo.  Thời gian kết thúc ninh kết: từ lúc trộn với nƣớc đến lúc có cƣờng độ nhất định 6. Tính ổn định thể tích:  Nghiền xong sử dụng ngay Xi măng hạt thô  CaO + MgO tự do quá nhiều  Hàm lƣợng SO3 vƣợt quá quy định 7. Cƣờng độ xi măng phụ thuộc:  Thành phần khoáng  Độ mịn  Môi trƣờng & thời gian dƣỡng hộ Hình dạng, kích thƣớc mẫu Tốc độ gia tải