Luận văn Thạc sĩ Kỹ thuật: Nghiên cứu ảnh hưởng của tro bay Duyên Hải tới một số tính chất của xi măng trên nền clinker fico

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO

TRƢỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI

---------------------------------------

TRẦN THANH TÙNG

NGHIÊN CỨU ẢNH HƢỞNG CỦA TRO BAY DUYÊN HẢI

TỚI MỘT SỐ TÍNH CHẤT CỦA XI MĂNG TRÊN NỀN

T R Ầ N T H A N H T Ù N G

CLINKER FICO

LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT

KỸ THUẬT HÓA HỌC

K Ỹ T H U Ậ T H Ó A H Ọ C

2 0 1 5 B

Hà Nội – Năm 2017

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO

TRƢỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI

---------------------------------------

TRẦN THANH TÙNG

NGHIÊN CỨU ẢNH HƢỞNG CỦA TRO BAY DUYÊN HẢI

TỚI MỘT SỐ TÍNH CHẤT CỦA XI MĂNG TRÊN NỀN

CLINKER FICO

Chuyên ngành: Kỹ thuật Hóa học

LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT

…......................................

KỸ THUẬT HÓA HỌC

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC

PGS. TS Huỳnh Đức Minh

Hà Nội – Năm 2017

LỜI CAM ĐOAN

Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của tôi dưới sự hướng dẫn của

PGS.TS. Huỳnh Đức Minh. Các số liệu và kết quả được trình bày trong luận văn

này là trung thực và chính xác, một số kết quả được trích dẫn từ các bài báo, sách đã

được công bố. Các kết quả này chưa từng được ai công bố trong bất kỳ công trình

nào khác.

Tác giả luận án

Trần Thanh Tùng

LỜI CẢM ƠN

Tôi xin bày tỏ lòng biết ơn đặc biệt sâu sắc đến PGS.TS. Huỳnh Đức Minh đã

tận tình hướng dẫn và tạo mọi điều kiện thuận lợi cho tôi trong suốt quá trình thực

hiện luận án. Tôi xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc đến TS. Nguyễn Thành Đông đã

tận tình hướng dẫn tôi thực hiện luận án.

Tôi xin chân thành cám ơn cơ sở đào tạo, Trường Đại học Bách Khoa Hà Nội,

đã tạo điều kiện thuận lợi về thời gian và cơ sở vật chất giúp tôi hoàn thành được

luận án này.

Tôi xin cám ơn Lãnh đạo Viện Kỹ thuật Hóa học, các quý thầy cô trong Viện

Kỹ thuật Hóa học trong bộ môn Hóa Silicat đã giúp đỡ và động viên tôi trong quá

trình thực hiện đề tài luận án.

Cuối cùng tôi xin chân thành cám ơn Công ty Cổ phần xi măng FiCO Tây

Ninh, gia đình, bạn bè đã nhiệt tình giúp đỡ, động viên và tạo mọi điều kiện thuận

lợi cho tôi trong suốt thời gian học tập và nghiên cứu.

MỤC LỤC

PHẦN MỞ ĐẦU ........................................................................................................ 1

Mục tiêu luận văn .................................................................................................. 2

Đối tƣợng nghiên cứu ............................................................................................ 2

Chƣơng 1. TỔNG QUAN ......................................................................................... 4

1.1. Giới thiệu chung về xi măng poóc lăng ........................................................ 4 1.1.1. Khái niệm về xi măng poóc lăng ............................................................. 4 1.1.2. Khái niệm về xi măng poóc lăng hỗn hợp .............................................. 4 1.1.3. Thành phần của clinker xi măng poóc lăng ........................................... 5 1.1.3.1. Khái niệm về clinker xi măng poóc lăng ............................................ 5 1.1.3.2. Thành phần hóa học của clinker poóc lăng [1] ................................. 6 1.1.3.3. Thành phần pha.................................................................................. 6

1.2. Phản ứng thủy hóa của xi măng.................................................................... 7 1.2.1. Sự hiđrat hóa của C3S (Alit) .................................................................... 7 1.2.2. Sự hiđrat hóa của C2S (Belit) .................................................................. 7 1.2.3. Sự hiđrat hóa của C3A (Canxi aluminat) ................................................ 7 1.2.4. Sự hiđrat hóa của C4AF........................................................................... 8

1.3. Quá trình hình thành và tính chất cơ lý của đá xi măng ............................ 9 1.3.1. Định nghĩa ................................................................................................ 9 1.3.2. Các tính chất cơ lý của xi măng ............................................................ 10 1.3.2.1. Độ mịn của xi măng ......................................................................... 10 1.3.2.2. Lượng nước tiêu chuẩn .................................................................... 10 1.3.2.3. Thời gian đông kết của xi măng ....................................................... 11 1.3.2.4. Độ ổn định thể tích của đá xi măng ................................................. 11 1.3.2.5. Cường độ của xi măng (hay mác xi măng) ...................................... 12 1.3.2.6. Độ rỗng đá xi măng ......................................................................... 13 1.3.2.7. Độ thấm của đá xi măng .................................................................. 14

1.4. Vai trò của phụ gia xi măng ........................................................................ 14 1.4.1. Định nghĩa về phụ gia xi măng ............................................................. 14 1.4.2. Tính chất của phụ gia xi măng .............................................................. 15 1.4.3. Một số loại phụ thường được sử dụng .................................................. 15 1.4.3.1. Phụ gia hoạt tính puzolan ................................................................ 16

1.4.3.2. Phụ gia đầy ...................................................................................... 17 1.4.3.3. Phụ gia công nghệ ............................................................................ 17

1.5. Giới thiệu chung về tro bay nhiệt điện ....................................................... 18 1.5.1. Khái niệm và phân loại tro bay .............................................................. 18 1.5.2. Các đặc trưng của tro bay ...................................................................... 23 1.5.2.1. Thành phần hóa học trong tro bay................................................... 23 1.5.2.2. Cấu trúc hình thái của tro bay ......................................................... 26 1.5.2.3. Phân bố kích thước hạt trong tro bay .............................................. 28 1.5.3. Đặc tính của tro bay dùng trong xi măng ............................................. 29 1.5.4. Sản lượng tro bay và tình hình sử dụng tro bay trên thế giới.............. 30

1.6. Tro bay nhiệt điện Duyên Hải ..................................................................... 34

1.7. Một số công trình nghiên cứu dùng tro bay làm phụ gia xi măng trong và ngoài nƣớc ....................................................................................................... 35 1.7.1. Trong nước ............................................................................................. 35 1.7.2. Nước ngoài ............................................................................................. 37

Chƣơng 2. THỰC NGHIỆM VÀ PHƢƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU ................. 39

2.1. Hóa chất và dụng cụ ..................................................................................... 39 2.1.1. Nguyên liệu, hóa chất ............................................................................ 39 2.1.2. Dụng cụ .................................................................................................. 39

2.2. Xác định thành phần khoáng, hoá và độ hoạt tính của tro bay............... 39 2.2.1. Xác định thành phần hóa học ............................................................... 39 2.2.2. Xác định thành phần khoáng của tro bay và puzolan.......................... 39 2.2.3. Xác định độ hoạt tính ............................................................................. 40 2.2.4. Đo độ dẫn điện xác định nhanh độ hoạt tính tro bay ........................... 41

2.3. Khảo sát các tính chất cơ lý của xi măng ................................................... 42 2.3.1. Chuẩn bị các cấp phối nghiên cứu ........................................................ 42 2.3.2. Xác định độ dẻo tiêu chuẩn của hồ xi măng ........................................ 43 2.3.3. Xác định thời gian đông kết ................................................................... 48 2.3.4. Xác định cường độ kháng nén .............................................................. 50 2.3.5. Xác định độ mịn ..................................................................................... 51

Chƣơng 3. KẾT QUẢ THÍ NGHIỆM VÀ THẢO LUẬN ................................... 53

3.1. Kết quả khảo sát các tính chất của tro bay Duyên Hải ............................ 53 3.1.1. Hình dạng và cấu trúc hạt tro bay......................................................... 53 3.1.2. Thành phần cỡ hạt của tro bay ............................................................. 53

3.1.3. Thành phần khoáng, hóa của tro bay Duyên Hải ................................ 55 3.1.4. Hoạt tính puzolan của tro bay Duyên Hải ............................................ 59 3.1.5. Nghiên cứu ảnh hưởng của quá trình nghiền đến độ hoạt tính của tro bay ..................................................................................................................... 61

3.2. Ảnh hƣởng của tro bay Duyên Hải đến các tính chất của xi măng PCB40 FiCO khi sử dụng nó thay thế cho puzolan Bình Phƣớc ................................. 64 3.2.1. Ảnh hưởng của tro bay đến lượng nước tiêu chuẩn ............................ 64 3.2.2. Ảnh hưởng của tro bay đến thời gian đông kết .................................... 65 3.2.3. Ảnh hưởng của tro bay đến độ ổn định thể tích ................................... 66 3.2.4. Ảnh hưởng của tro bay đến cường độ cơ học ....................................... 67

3.3. Kết quả khảo sát khi tiếp tục sử dụng tro bay thay thế cho clinker ....... 70 3.3.1. Ảnh hưởng của tro bay đến lượng nước tiêu chuẩn ............................ 70 3.3.2. Ảnh hưởng của tro bay đến thời gian đông kết .................................... 72 3.3.3. Ảnh hưởng của tro bay đến độ ổn định thể tích ................................... 73 3.3.4. Ảnh hưởng của tro bay đến cường độ cơ học ....................................... 73

Chƣơng 4. KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ ............................................................. 76

KẾT LUẬN .......................................................................................................... 76

KIẾN NGHỊ ......................................................................................................... 77

TÀI LIỆU THAM KHẢO ...................................................................................... 78

DANH MỤC CÁC BẢNG Bảng 1: Thành phần hóa học của clinker .................................................................... 6 Bảng 2: Thành phần pha của clinker ........................................................................... 6 Bảng 3: Tiêu chuẩn tro bay theo ASTM C618 ......................................................... 20 Bảng 4: Chỉ tiêu chất lượng tro bay dùng cho bê tông và vữa xây ........................... 21 Bảng 5: Chỉ tiêu kỹ thuật tro bay dùng cho xi măng TCVN 10302 : 2014 .............. 23 Bảng 6: Thành phần hóa học của tro bay theo vùng miền ........................................ 24 Bảng 7: Thành phần hóa học tro bay ở Ba Lan từ các nguồn nguyên liệu khác nhau ................................................................................................................................... 25 Bảng 8: Phân bố kích thước hạt các phân đoạn tro bay Israel .................................. 28 Bảng 9: Kích thước hạt tro bay thương phẩm ........................................................... 29 Bảng 10: Tỉ lệ tro bay sử dụng trong xi măng ở các nước ....................................... 30 Bảng 11: Sản lượng và phần trăm sử dụng tro bay ở một số nước ........................... 33 Bảng 12: Tro bay từ các nhà máy nhiệt điện trong giai đoạn 2005 - 2020 ............... 33 Bảng 13: Thành phần hóa học của tro bay nhiệt điện Duyên Hải ............................ 35 Bảng 14: Phân loại hoạt tính của phụ gia theo độ hút vôi ........................................ 41 Bảng 15: Thành phần các bài cấp phối nghiên cứu .................................................. 43 Bảng 16: Dải cỡ hạt của tro bay Duyên Hải ............................................................. 54 Bảng 17: Thành phần hóa học tro bay Duyên Hải và puzolan Bình Phước ............. 56 Bảng 18: Thành phần khoáng tro bay Duyên Hải ..................................................... 59 Bảng 19: Chỉ số hoạt tính cường độ với xi măng của tro bay Duyên Hải ................ 60 Bảng 20: Độ hút vôi của tro bay Duyên Hải ............................................................. 60 Bảng 21: Độ dẫn điện của các dung dịch với loại tro bay khác nhau ....................... 62 Bảng 22: Sự thay đổi lượng nước tiêu chuẩn khi thay đổi phụ gia hoạt tính ........... 64 Bảng 23: Sự thay đổi thời gian đông kết ................................................................... 66 Bảng 24: Sự thay đổi độ ổn định thể tích khi thay đổi phụ gia hoạt tính ................. 67 Bảng 25: Cường độ kháng nén các mẫu sử dụng tro bay/puzolan ở các ngày tuổi .. 68 Bảng 26: Sự thay đổi lượng nước tiêu chuẩn ............................................................ 71 Bảng 27: Sự thay đổi thời gian đông kết của xi măng .............................................. 72 Bảng 28: Độ ổn định thể tích của mẫu thử................................................................ 73 Bảng 29: Tác động của hàm lượng tro bay đến cường độ xi măng .......................... 73

DANH MỤC HÌNH VẼ Hình 1: Vi cấu trúc hạt xi măng trong quá trình hidrat hóa. ....................................... 8 Hình 2: Mô tả độ rỗng của đá xi măng ..................................................................... 14 Hình 3: Sự tương phản về kích thước giữa các hạt tro bay hình cầu lớn và các hạt nhỏ. ............................................................................................................................ 26 Hình 4: Đặc trưng dạng cầu của các hạt tro bay ....................................................... 26 Hình 5: Cấu trúc hạt tro bay sau khi tiếp xúc ngắn với dung dịch HF. .................... 27 Hình 6: Cấu trúc tro bay tiếp xúc với ........................................................................ 27 Hình 7: Biểu đồ sản lượng tro bay và phần trăm sử dụng tro bay ở Mỹ từ 1966 - 2012 ........................................................................................................................... 31 Hình 8: Biểu đồ lượng tro bay tạo thành, tro bay sử dụng và phần trăm sử dụng tro bay ở Trung Quốc từ 2001 - 2008 ............................................................................. 32 Hình 9: Ảnh hưởng của hàm lượng tro bay đến thời gian đông kết và cường độ sớm (Các chỉ số 0; 10; 20; 30; 40; 50; 60; 70 thể hiện tỉ lệ tro bay thay thế xi măng tính theo khối lượng) ........................................................................................................ 37 Hình 10: Máy đo độ dẫn điện cầm tay Thermo Scientific model CON 6+ (Hoa Kỳ) ................................................................................................................................... 42 Hình 11: Ảnh chụp SEM hạt tro bay ......................................................................... 53 Hình 12: Phân bố dải cỡ hạt tro bay Duyên Hải ....................................................... 54 Hình 13: Các peak khoáng chất trong tro bay ........................................................... 57 Hình 14: Các peak khoáng chất trong puzoland ....................................................... 58 Hình 15: Chênh lệch độ dẫn điện của dung dịch với loại tro bay khác nhau ........... 63 Hình 16: Sự thay đổi lượng nước tiêu chuẩn khi thay đổi phụ gia hoạt tính ............ 65 Hình 17: Sự thay đổi thời gian đông kết ................................................................... 66 Hình 18: Sự thay đổi độ ổn định thể tích khi thay đổi phụ gia hoạt tính .................. 67 Hình 19: Cường độ kháng nén của các mẫu sử dụng tro bay/puzolan ở các ngày tuổi ................................................................................................................................... 68 Hình 20: Ảnh chụp SEM mẫu Pu7.5 (a) và Tb7.5 (b) ở tuổi 28 ngày. ..................... 69 Hình 21: Sự thay đổi lượng nước tiêu chuẩn ............................................................ 71 Hình 22: Sự thay đổi thời gian đông kết của xi măng .............................................. 72 Hình 23: Sự giảm cường độ cơ học khi tăng tro bay ................................................ 74 Hình 24: Ảnh chụp SEM mẫu Tb7.5 ở tuổi 28 ngày. ............................................... 75 Hình 25: Ảnh chụp SEM mẫu Tb11.5 ở tuổi 28 ngày. ............................................. 75

Luận văn Thạc sĩ CBHD: PGS. TS. Huỳnh Đức Minh

PHẦN MỞ ĐẦU

Nước ta là nước đang phát triển và định hướng hội nhập sâu rộng với quốc

tế, tìm kiếm cơ hội thúc đẩy phát triển mạnh mẽ hơn nữa nhằm thu hẹp khoảng cách

với các nước. Trong đó, xây dựng cơ sở hạ tầng là một trong những công việc tiên

phong trong công cuộc đổi mới phát triển. Do vậy, ngành vật liệu xây dựng được

quan tâm và yêu cầu nâng cao năng lực sản xuất, chất lượng sản phẩm đáp ứng các

tiêu chuẩn ngày càng cao. Xi măng là vật liệu cơ bản, truyền thống, chiếm tỉ trọng

khá lớn cấu thành công trình xây dựng cho nên phát triển ngành công nghiệp xi

măng – vấn đề nâng cao chất lượng sản phẩm và giảm giá thành tăng tính cạnh

tranh – nằm trong định hướng chung và phải được chú trọng.

Việt Nam hiện nay và trong thời gian sắp tới có nhiều nhà máy nhiệt điện

(NMNĐ) đốt than đang và sắp sửa hoạt động, lượng tro xỉ thải ra hàng năm là rất

lớn. Theo kết quả điều tra đánh giá nguồn tro xỉ và các giải pháp sử dụng của Trung

tâm xi măng – Viện vật liệu xây dựng, được xây dựng trên cơ sở của Quy hoạch

điện VII, khối lượng tro xỉ thải trong năm 2015 khoảng 12,8 triệu tấn, đến năm

2020 khoảng 25,4 triệu tấn và đến năm 2030 khoảng 38,3 triệu tấn. Đây là lượng tro

xỉ rất lớn cần có các giải pháp để tiêu thụ. Sử dụng tro xỉ NMNĐ cho sản xuất các

sản phẩm liên quan đến xi măng, bê tông, vữa xây dựng, gạch không nung là một

trong những giải pháp tiêu thụ tro xỉ với khối lượng lớn và đem lại hiệu quả kinh tế

kỹ thuật cao.

Tro bay (fly ash - FA) là những hạt tro rất nhỏ bị cuốn theo khí từ buồng

đốt của các nhà máy nhiệt điện do đốt nhiên liệu than. Loại phế thải này nếu không

được thu gom, tận dụng sẽ không chỉ là một sự lãng phí lớn mà còn là một hiểm họa

đối với môi trường. Chính vì vậy, việc nghiên cứu, xử lý, tận dụng tro bay trong các

lĩnh vực kinh tế, kỹ thuật đã và đang được các nhà khoa học, công nghệ trong và

ngoài nước quan tâm đặc biệt.

Nghiên cứu tìm giải pháp để đưa tro bay vào xi măng vừa có thể cải thiện

HVTH: Trần Thanh Tùng

1

một số tính chất của xi măng, vừa giảm được tỉ lệ clinker trong cấp phối sản xuất

Luận văn Thạc sĩ CBHD: PGS. TS. Huỳnh Đức Minh

nhằm giảm giá thành xi măng. Bên cạnh đó đưa tro bay vào sản xuất xi măng còn

góp phần giảm tác động môi trường của loại phế thải này.

Ở nước ta có nhiều công trình nghiên cứu sử dụng tro bay nhà máy nhiệt

điện trong sản xuất xi măng với mục đích cải thiện một số tính chất xi măng và

giảm giá thành sản phẩm xi măng. Tuy nhiên chưa có công trình nghiên cứu cụ thể

nào về việc sử dụng tro bay nhà máy nhiệt điện Duyên Hải nhằm cải thiện tính chất

xi măng poóc lăng hỗn hợp PCB40 FiCO, cũng như khả năng tiết kiệm clinker

trong cấp phối sản xuất xi măng.

Vì vậy, lựa chọn đề tài nghiên cứu sử dụng tro bay nhà máy nhiệt điện

Duyên Hải làm luận văn Thạc sĩ Kỹ thuật vừa mang tính khoa học, lại vừa mang

tính ứng dụng đem lại hiệu quả kinh tế cho Công ty.

Mục tiêu luận văn

- Khảo sát các đặc trưng của tro bay Nhiệt điện Duyên Hải để định hướng sử

dụng làm phụ gia khoáng hoạt tính sản xuất xi măng poóc lăng hỗn hợp

PCB40 FiCO.

- Nghiên cứu ảnh hưởng của tro bay Nhiệt điện Duyên Hải đến một số tính

chất cơ lý của xi măng PCB40 FiCO khi dùng nó thay thế cho đá puzolan

Bình Phước và thay thế một phần clinker trong cấp phối sản xuất.

- Đề xuất cấp phối sản xuất xi măng FiCO PCB40 sử dụng tro bay Duyên

Hải với hàm lượng phù hợp.

Đối tƣợng nghiên cứu

Để thực hiện các mục tiêu trên, luận án đã triển khai các nội dung nghiên

cứu chủ yếu như sau:

- Các đặc trưng của tro bay Nhiệt điện Duyên Hải, đá puzolan Bình Phước.

+ Thành phần hóa học

+ Thành phần khoáng

+ Độ hút vôi

HVTH: Trần Thanh Tùng

2

+ Hoạt tính cường độ với xi măng

Luận văn Thạc sĩ CBHD: PGS. TS. Huỳnh Đức Minh

- Ảnh hưởng của tro bay nhà máy nhiệt điện Duyên Hải đến các tính chất của

xi măng FiCO PCB40.

+ Lượng nước tiêu chuẩn

+ Thời gian đông kết

+ Độ ổn định thể tích

+ Cường độ cơ học

- Đánh giá các ưu điểm của tro bay so với puzolan đang sử dụng tại Nhà máy

HVTH: Trần Thanh Tùng

3

xi măng Tây Ninh.

Luận văn Thạc sĩ CBHD: PGS. TS. Huỳnh Đức Minh

Chƣơng 1. TỔNG QUAN

1.1. Giới thiệu chung về xi măng poóc lăng

1.1.1. Khái niệm về xi măng poóc lăng

Xi măng poóc lăng là chất kết dính thủy, được chế tạo bằng cách nghiền

mịn clinker xi măng poóc lăng với một lượng thạch cao cần thiết. Trong quá trình

nghiền có thể sử dụng phụ gia công nghệ nhưng không quá 1% so với khối lượng

clinker.

Clinker xi măng poóc lăng được định nghĩa theo TCVN 5438 : 2004.

Thạch cao để sản xuất xi măng poóc lăng có chất lượng theo quy định hiện

hành (TCXD 168 : 89).

Phụ gia công nghệ gồm các chất cải thiện quá trình nghiền, vận chuyển,

đóng bao và/hoặc bảo quản xi măng nhưng không làm ảnh hưởng xấu tới tính chất

của xi măng, vữa và bê tông.

1.1.2. Khái niệm về xi măng poóc lăng hỗn hợp

Xi măng poóc lăng hỗn hợp là loại chất kết dính thuỷ, được chế tạo bằng

cách nghiền mịn hỗn hợp clinker xi măng poóc lăng với các phụ gia khoáng và một

lượng thạch cao cần thiết hoặc bằng cách trộn đều các phụ gia khoáng đã nghiền

mịn với xi măng poóc lăng không chứa phụ gia khoáng.

Clinker xi măng poóc lăng dùng để sản xuất xi măng poóc lăng hỗn hợp có

hàm lượng magie ôxit (MgO) không lớn hơn 5%.

Phụ gia khoáng để sản xuất xi măng poóc lăng hỗn hợp phải thỏa mãn các

yêu cầu của TCVN 6882 : 2001 và quy chuẩn sử dụng phụ gia trong sản xuất xi

măng.

Phụ gia công nghệ gồm các chất cải thiện quá trình nghiền, vận chuyển,

đóng bao và/hoặc bảo quản của xi măng nhưng không làm ảnh hưởng xấu tới tính

HVTH: Trần Thanh Tùng

4

chất của xi măng, vữa và bê tông; hàm lượng phụ gia công nghệ trong xi măng

Luận văn Thạc sĩ CBHD: PGS. TS. Huỳnh Đức Minh

không lớn hơn 1%.

Tổng lượng các phụ gia khoáng (không kể thạch cao) trong xi măng poóc

lăng hỗn hợp, tính theo khối lượng xi măng, không lớn hơn 40% trong đó phụ gia

đầy không lớn hơn 20%.

Thạch cao để sản xuất xi măng poóc lăng hỗn hợp có chất lượng theo

TCXD 168 : 89.

Xi măng poóc lăng hỗn hợp gồm ba mác PCB30, PCB40 và PCB50, trong

đó:

- PCB là quy ước cho xi măng poóc lăng hỗn hợp;

- Các trị số 30, 40 , 50 là cường độ nén tối thiểu mẫu vữa chuẩn ở tuổi 28

ngày đóng rắn, tính bằng MPa, xác định theo TCVN 6016 : 1995 (ISO

679 : 1989).

1.1.3. Thành phần của clinker xi măng poóc lăng

1.1.3.1. Khái niệm về clinker xi măng poóc lăng

Clinker xi măng là sản phẩm chứa các pha (khoáng) có tính chất kết dính

thủy lực, nhận được bằng cách nung đến kết khối hay nóng chảy hỗn hợp các

nguyên liệu xác định (phối liệu).

Clinker xi măng poóc lăng là clinker xi măng chứa các khoáng canxi silicat,

canxi aluminat và canxi fero aluminat với tỷ lệ xác định.

Clinker xi măng poóc lăng là nguyên liệu đầu vào của quá trình sản xuất xi

măng poóc lăng. Clinker xi măng poóc lăng thường ở dạng hạt có đường kính 10 ÷

40 mm, có cấu trúc phức tạp (có nhiều khoáng ở dạng tinh thể và một số khoáng ở

dạng vô định hình). Clinker xi măng poóc lăng được tạo thành do quá trình nung luyện phối liệu trong lò nung, nhiệt độ nung luyện vào khoảng 1450oC. Chất lượng

của clinker phụ thuộc vào thành phần khoáng vật, hóa học và công nghệ sản xuất.

HVTH: Trần Thanh Tùng

5

Tính chất của xi măng do chất lượng của clinker quyết định.

Luận văn Thạc sĩ CBHD: PGS. TS. Huỳnh Đức Minh

1.1.3.2. Thành phần hóa học của clinker poóc lăng [1]

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

Bảng 1: Thành phần hóa học của clinker

Thành phần hóa học CaO Al2O3 SiO2 Fe2O3

Tỷ lệ % khối lượng 63 ÷ 67 4 ÷ 8 20 ÷ 22 2 ÷ 4

Ngoài ra còn có những tạp chất không mong muốn như MgO khoảng 1 ÷

5%, ôxit kiềm 0.5 ÷ 3%.

1.1.3.3. Thành phần pha

Thành phần pha của clinker được trình bày ở bảng sau:

Bảng 2: Thành phần pha của clinker

Thành phần pha C3S (3CaO.SiO2) C2S (2CaO.SiO2) C3A (3CaO.Al2O3) C4AF (4CaO.Al2O3.Fe2O3)

Tỷ lệ % 45 ÷ 65 10 ÷ 37 5 ÷ 15 10 ÷ 18

Đặc tính của từng pha:

* Alit (C3S): bao gồm 3CaO.SiO2 chiếm từ 45 ÷ 65% trong clinker. Khoáng

này phản ứng nhanh với nước, tỏa nhiều nhiệt khi thủy hóa, cho sản phẩm đông rắn

cao nhất sau 28 ngày, đây là một pha quan trọng nhất của clinker.

* Belit (C2S): bao gồm 2CaO.SiO2 chiếm 10 ÷ 37% trong clinker. Khoáng

này phản ứng với nước tỏa ít nhiệt và cho sản phẩm có độ đông rắn chậm nhưng sau

28 ngày cũng đạt được yêu cầu bằng alit.

* Celit (C4AF): bao gồm 4CaO.Al2O3.Fe2O3 chiếm 10 ÷ 18% trong clinker,

là khoáng cho phản ứng tỏa ít nhiệt và cho sản phẩm phản ứng với độ đông rắn

thấp.

* Canxi aluminat (C3A): bao gồm 3CaO.Al2O3 chiếm 5 ÷ 15%, khoáng này

HVTH: Trần Thanh Tùng

6

phản ứng nhanh với nước tỏa nhiều nhiệt. Cho sản phẩm phản ứng ban đầu đông

Luận văn Thạc sĩ CBHD: PGS. TS. Huỳnh Đức Minh

rắn nhanh nhưng sau đó lại chậm và kém hơn alit.

1.2. Phản ứng thủy hóa của xi măng

Khi trộn xi măng với nước các pha C3S, C2S, C3A, C4AF thực hiện phản

ứng thủy hóa. Tùy thuộc vào loại khoáng, hàm lượng khoáng, hàm lượng pha thủy

tinh mà khả năng tương tác của xi măng với nước là khác nhau tạo nên pha kết dính

CxSyHz và CxAyHz, Ca(OH)2 và Al(OH)3.

Quá trình hiđrat hoá tạo pha portlandit Ca(OH)2 và Al(OH)3 là những

hiđrôxit dễ tan trong nước và chúng để lại những lỗ trống mao quản, đồng thời quá

trình bay hơi của nước dư trong thời kỳ hiđrat hoá tạo nên độ xốp, rỗng trong vữa xi

măng và bê tông.

1.2.1. Sự hiđrat hóa của C3S (Alit)

Thời kì ban đầu ngay khi đổ nước vào để trộn vữa, bề mặt của hạt C3S tan 2- vào dung dịch. Dần dần dung dịch dần ra để cung cấp các ion Ca2+, OH-, H2SiO4

trở nên quá bão hòa Ca(OH)2 và pha rắn này bắt đầu kết tủa gọi là pha portlandit.

Lúc này có sự cạnh tranh nảy sinh các tinh thể Ca(OH)2 và CSH. Ở điều kiện

thường, phản ứng thủy hóa chỉ hoàn toàn kết thúc sau thời gian từ 1 đến 1,5 năm và

có thể viết như sau:

2(3CaO.SiO2) + 4H2O → 3CaO.2SiO2.3H2O + 3Ca(OH)2

Phản ứng hiđrat hóa của C3S tách ra Ca(OH)2. Hàm lượng C3S trong xi

măng chiếm tỷ lệ lớn nên lượng Ca(OH)2 tách ra khá lớn.

1.2.2. Sự hiđrat hóa của C2S (Belit)

Phản ứng hiđrat hóa của C2S tạo thành hiđrô silicat và một số lượng

Ca(OH)2, nhưng lượng Ca(OH)2 tách ra ở phản ứng này ít hơn ở phản ứng thủy hóa

của C3S.

2(2CaO.SiO2) + 4H2O → 3CaO.2SiO2.3H2O + Ca(OH)2

HVTH: Trần Thanh Tùng

7

1.2.3. Sự hiđrat hóa của C3A (Canxi aluminat)

Luận văn Thạc sĩ CBHD: PGS. TS. Huỳnh Đức Minh

Sự tác dụng tương hỗ giữa C3A và H2O sẽ sinh ra phản ứng và phát ra một

lượng nhiệt khá lớn theo phương trình sau:

3CaO.Al2O3 + 6H2O → 3CaO.Al2O3.6H2O

Phản ứng phụ: khi trong xi măng poóc lăng có mặt của thạch cao sống thì

sẽ tác dụng với thành phần C3A và hình thành một khoáng vật mới gây trương nở

thể tích theo phản ứng sau:

3CaO.Al2O3 + 3(CaSO4.2H2O) + 26H2O → 3CaO.Al2O3.3CaSO4.32H2O

1.2.4. Sự hiđrat hóa của C4AF

Khi cho C4AF tác dụng với H2O trong điều kiện xi măng thủy hóa hoàn

toàn và hình thành một lượng vôi bão hòa thì phản ứng sẽ xảy ra trong điều kiện

nhiệt độ của môi trường theo phương trình phản ứng sau:

4CaO.Al2O3.Fe2O3 + 12H2O → 3CaO.Al2O3.6H2O + CaO.Fe2O3.6H2O

HVTH: Trần Thanh Tùng

8

Hình 1: Vi cấu trúc hạt xi măng trong quá trình hidrat hóa.

Luận văn Thạc sĩ CBHD: PGS. TS. Huỳnh Đức Minh

1.3. Quá trình hình thành và tính chất cơ lý của đá xi măng

1.3.1. Định nghĩa

Đá xi măng là sản phẩm của quá trình thủy hóa xi măng sau một thời gian

đã đạt tới một cường độ nhất định.

Quá trình hình thành đá xi măng (Cơ chế đông rắn của vữa):

Bắt đầu từ khi trộn nước và hỗn hợp phối liệu (thường là 1 xi măng 3 cát)

độ dẻo của vữa tăng dần. Phản ứng của C3A bắt đầu, những tinh thể ettringit bắt đầu 2- và xuất hiện. Khoảng cách ở giữa các hạt xi măng chứa dung dịch bão hòa SO4 Ca2+. Ngay tức khắc monosunfat (3CaO.Al2O3.CaSO4.12H2O) được tạo thành, sản

phẩm này ngăn chặn sự tấn công ồ ạt của nước, quá trình hiđrat hóa chậm lại. Sau

đó phản ứng kết tinh của silicat, aluminat phía trong màng, màng bị phá vỡ và sự

hiđrat hóa xảy ra tiếp tục. Quá trình trên lặp lại nhiều lần, hiđrô silicat canxi, hiđrô 2- aluminat canxi dạng sợi, dạng hình kim … được tạo thành. Khi nồng độ cao SO4 và Ca2+ không còn đủ lớn tạo thành ettringit, sự tạo thành gel C-S-H xảy ra liên tục.

Chính nhờ cơ chế này mà tạo nên cường độ của xi măng.

Người ta chia quá trình đóng rắn của đá xi măng thành các giai đoạn:

Giai đoạn 1:

Xảy ra sự khuếch tán các hạt xi măng vào trong nước, các phân tử nước tấn

công ồ ạt lên bề mặt các hạt xi măng. Bắt đầu hình thành Ca(OH)2, monosufat và

C3A.3CaSO4.32H2O (ettringit) trên bề mặt các hạt khoáng. Giai đoạn kéo dài

khoảng 10 phút và không tạo thành cấu trúc.

Giai đoạn 2:

Tốc độ phản ứng hiđrat hóa chậm lại do keo monosunfat hình thành bao

bọc lấy các hạt xi măng, độ dẻo của vữa trong giai đoạn này là ổn định, sau đó xuất

hiện sự kết tinh của các tinh thể silicat, aluminat phía trong phá hủy màng. Quá 2- không còn đủ để tạo trình thủy hóa trên được lặp đi lặp lại đến khi nồng độ SO4

HVTH: Trần Thanh Tùng

9

thành ettringit, giai đoạn này kéo dài khoảng 2 giờ và các gel C-S-H bắt đầu xuất

Luận văn Thạc sĩ CBHD: PGS. TS. Huỳnh Đức Minh

hiện.

2- quá nhỏ, khả năng tạo lớp keo giả bền và ettringit không

Giai đoạn 3:

Do nồng độ SO4

còn nữa, tốc độ phản ứng tăng vọt, sự hình thành gel C-S-H lấp đầy vào khoảng

trống giữa các hạt xi măng rất nhanh chóng. Cứ thế đá xi măng được tạo thành và

cường độ của đá (tính theo cường độ kháng nén) bắt đầu phát triển mạnh. Giai đoạn

này kéo dài 24 giờ và phần nhiều khoáng xi măng đã tham gia quá trình hiđrat hóa.

Giai đoạn 4:

Sau 24 giờ tốc độ thủy hóa của các khoáng bắt đầu giảm dần, cấu trúc bắt

đầu ổn định và phản ứng thủy hóa vẫn tiếp tục với phần khoáng còn lại.

1.3.2. Các tính chất cơ lý của xi măng

1.3.2.1. Độ mịn của xi măng

Là đại lượng biểu thị cho kích thước của các hạt xi măng được thể hiện

bằng phần trăm còn lại trên sàng hay dưới sàng có kích thước lỗ nhất định [2]. Có

độ mịn cao thì kích thước hạt xi măng nhỏ diện tích tiếp xúc của các hạt xi măng

với nước làm tăng nhanh quá trình thuỷ hoá của xi măng làm cho xi măng dễ tác

dụng với nước, rắn chắc nhanh.

Độ mịn được xác định bằng hai cách:

+ Phương pháp sàng: bao gồm sàng có kích thước lỗ 90μm và 45μm.

+ Đo độ mịn theo phương pháp Blaine.

1.3.2.2. Lượng nước tiêu chuẩn

Là tỷ lệ nước và xi măng cần thiết đề thực hiện quá trình ban đầu của sự

đóng rắn tạo nên vữa xi măng có độ dẻo tiêu chuẩn. Khi nước dư nhiều ảnh hưởng

nhiều đến tốc độ phát triển cường độ, cho cường độ thấp vì tạo độ xốp trong đá xi

HVTH: Trần Thanh Tùng

10

măng. Xi măng poóc lăng thường có lượng nước tiêu chuẩn từ 24 - 30%.

Luận văn Thạc sĩ CBHD: PGS. TS. Huỳnh Đức Minh

1.3.2.3. Thời gian đông kết của xi măng

Khi trộn xi măng với nước sẽ xảy ra phản ứng thủy hóa của các khoáng

trong xi măng, vữa tạo thành theo thời gian mất dần tính dẻo, sau đó trở nên cứng

và có thể chịu lực. Có 2 loại thời gian đông kết:

+ Thời gian bắt đầu đông kết: Là thời gian từ khi bắt đầu trộn nước đến

trước khi vữa mất tính dẻo.

+ Thời gian kết thúc đông kết: Là thời gian từ khi trộn nước đến khi vữa

cứng lại và có thể chịu lực.

Thời gian đông kết của đá xi măng phụ thuộc vào thành phần khoáng

clinker, lượng nước tiêu chuẩn, độ mịn của xi măng, nhiệt độ môi trường, lượng và

loại phụ gia pha vào.

1.3.2.4. Độ ổn định thể tích của đá xi măng

Trong suốt quá trình đóng rắn, thể tích của đá xi măng luôn thay đổi. Nếu

sự thay đổi này quá lớn hoặc quá nhanh sẽ gây ra rạn nứt công trình. Sự không ổn

định thể tích của xi măng là do ôxit CaO và ôxit MgO gây nên.

* MgO tự do: không tham gia vào quá trình tạo clinker mà sau khi xi măng

đóng rắn nó mới bị thủy hóa tạo Mg(OH)2 có thể tăng thể tích lên làm đá xi măng bị

nứt vỡ. Có trường hợp sau hai năm MgO mới bị thủy hóa, do đó cần hạn chế lượng

MgO ≤ 5%.

* CaO tự do: không tham gia vào phản ứng tạo clinker mà nằm ở dạng ôxit

canxi bị các chất nóng chảy bao bọc xung quanh nên bị thủy hóa chậm gây nở thể

tích làm rạn nứt đá xi măng.

Cũng có thể do cấp hạt xi măng quá lớn, làm tốc độ thủy hóa xảy ra chậm,

các sản phẩm gel C-S-H, aluminat hình thành khi công trình ổn định cũng gây ra sự

mất ổn định thể tích. Do vậy bất kì loại xi măng thành phẩm nào trên thị trường

HVTH: Trần Thanh Tùng

11

cũng phải có cấp hạt và hàm lượng các chất nằm trong giới hạn cho phép.

Luận văn Thạc sĩ CBHD: PGS. TS. Huỳnh Đức Minh

1.3.2.5. Cường độ của xi măng (hay mác xi măng)

Cường độ xi măng là giá trị lực biểu thị giới hạn bền cơ học của đá xi măng

trên một đơn vị diện tích. Là chỉ tiêu quan trọng nhất của đá xi măng, bao gồm độ

bền uốn và độ bền nén của đá xi măng. Thông thường người ta đo độ bền uốn và độ

bền nén của đá xi măng được đúc theo tỷ lệ xi măng/cát là 1/3 ở tuổi 28 ngày làm

chỉ tiêu xác định mác xi măng. Khi nghiên cứu về cường độ người ta thường quan

tâm đến cường độ kháng nén (Rn), cường độ kháng uốn (Ru), cường độ kháng kéo

(Rk) của các mẫu thí nghiệm. Các yếu tố ảnh hưởng đến cường độ mẫu của mác xi

măng, tỷ lệ các khoáng trong xi măng, lượng nước sử dụng, công nghệ chế tạo và

chất lượng thi công bê tông. Muốn sản xuất bê tông có cường độ kháng nén cao thì

phải dùng lượng nước ít nhất để trộn vữa . Theo tác giả R.Feret thì công thức tính

Rn để biễu diễn như sau:

Rn=K (X/N +N +A)2

Trong đó:

K: Hệ số tỷ lệ

N, X: Thể tích nước và thể tích xi măng

A: Thể tích không khí

Dựa vào công thức trên thì giảm tỷ lệ N/X sẽ tăng độ bền uốn và độ bền nén

cho bê tông.

Một yếu tố quan trọng khác là tỷ lệ N/X đã thực hiện trong quá trình trộn

vữa, bởi chính yếu tố này tác động mạnh đến tỷ lệ lộ rỗng có trong xi măng và

cường độ của mẫu. Mặt khác nó cũng ảnh hưởng đến độ dẻo của vữa xi măng và

quả trình đầm vữa bọt khí thoát ra hay không phụ thuộc vào độ dẻo của vữa. Do vậy

tỷ lệ N/X càng cao thì cường độ của bê tông càng giảm. Cường độ của xi măng phát

triển không đều: trong 3 ngày đầu có thể đạt được 40 - 50% mác xi măng, 7 ngày

đầu đạt đến 60 - 70 % . Trong những ngày sau tốc độ tăng cường độ còn chậm hơn

HVTH: Trần Thanh Tùng

12

nữa, đến 28 ngày đạt được mác. Tuy nhiên trong những điều kiện thụân lợi thì sự

Luận văn Thạc sĩ CBHD: PGS. TS. Huỳnh Đức Minh

rắn chắc của nó có thể kéo dài hàng tháng và thậm chí hàng năm, vượt gấp 2 - 3 lần

cường độ 28 ngày. Có thể xem tốc độ phát triển cường độ trung bình của xi măng

tuân theo quy luật Logarit được cho bởi công thức:

R28 =Rn (lg28/lgn)

R28 và Rn là cường độ của đá xi măng ở tuổi 28 ngày và n ngày (n > 3 ngày)

1.3.2.6. Độ rỗng đá xi măng

Trong 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/xi măng,

phương pháp thi 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 – 106 µm.

+ 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

các ion 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

khí của 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 mà không ảnh hưởng tới tính

HVTH: Trần Thanh Tùng

13

chống thấm của đá xi măng.

Luận văn Thạc sĩ CBHD: PGS. TS. Huỳnh Đức Minh

Lỗ mao quản

Khung C-S-H

Hình 2: Mô tả độ rỗng của đá xi măng

1.3.2.7. Độ thấm của đá xi măng

Đá xi măng cũng như bê tông là hệ nhiều pha gồm: cốt liệu, pha kết dính C-

S-H, clinker khan chưa hiđrat hóa, Ca(OH)2, các hiđrat của silicat, aluminat và hệ

thống các lỗ trống, mao quản có kích thước khác nhau. Tính thấm của đá xi măng

phụ thuộc vào sự có mặt của các pha đó và tương tác của các pha với môi trường.

Trong đó quan tâm nhất chính là tính thấm bao gồm thấm khí, thấm nước và thấm

muối tan. Tính thấm có liên quan rất mạnh đến độ bền của công trình, tính thấm

càng mạnh thì công trình càng kém bền. Để giảm bớt tính thấm của công trình cần

phải có kĩ thuật tốt cũng như phải sử dụng một số loại phụ gia đặc biệt để giảm tỷ lệ

nước/xi măng, giảm tỷ lệ lỗ trống, mao quản trong đá xi măng.

1.4. Vai trò của phụ gia xi măng

1.4.1. Định nghĩa về phụ gia xi măng

Theo tiêu chuẩn TCVN 6882 : 2001, phụ gia khoáng của xi măng là các vật

liệu vô cơ thiên nhiên hoặc nhân tạo khi sử dụng trong xi măng poóc lăng hỗn hợp

không gây ảnh hưởng xấu đến tính chất xi măng, bê tông và bê tông cốt thép. Phụ

gia khoáng được chia làm hai loại: phụ gia hoạt tính và phụ gia đầy.

Theo tiêu chuẩn Mỹ ASTM C688, phụ gia xi măng là loại vật liệu làm thay

HVTH: Trần Thanh Tùng

14

đổi các tính chất của xi măng có lợi khi vật liệu được kết hợp trong quá trình sản

Luận văn Thạc sĩ CBHD: PGS. TS. Huỳnh Đức Minh

xuất xi măng.

1.4.2. Tính chất của phụ gia xi măng

* Cải thiện tính năng dễ dàng thi công của hỗn hợp bê tông và vữa:

+ Tăng độ linh động, độ sụt, kéo dài thời gian duy trì độ sụt mà không cần

làm tăng hay giảm lượng nước trộn.

+ Làm chậm lại hoặc tăng nhanh quá trình liên kết ban đầu.

+ Tạo khả năng chuyên chở bê tông tươi từ các trạm trộn ở xa đến vị trí

công trình.

+ Tạo khả năng bơm bê tông lên cao để thi công nhà cao tầng, bơm đi xa để

thi công cầu, hầm hoặc công trình thủy lợi.

* Cải thiện tính chất của bê tông sau khi hóa cứng:

+ Tăng cường độ sớm trong thời gian ban đầu để sớm tháo ván khuôn, sớm

tạo ra ứng lực nhằm tăng nhanh tiến độ thi công.

+ Tăng cường độ chịu nén, uốn, kéo.

+ Tăng độ chống thấm.

+ Làm chậm quá trình tỏa nhiệt hoặc giảm nhiệt lượng tỏa ra khi bê tông

đang hoá rắn để tránh các vết nứt do co ngót nhiệt đặc biệt là đối với các công trình

khối lớn như: thủy điện, đập nước...

+ Hạn chế sự nở thể tích do các phản ứng của các chất kiềm với các thành

phần của khoáng cốt liệu.

+ Tạo sự bám dính chặt giữa các phần bê tông cũ và mới.

+ Tạo màu sắc cho bê tông theo dự kiến.

Tuy nhiên với mỗi trường hợp sử dụng phụ gia nhất định cần phải xem xét

kỹ lưỡng và tính toán, thí nghiệm chu đáo để đảm bảo hiệu quả cao.

HVTH: Trần Thanh Tùng

15

1.4.3. Một số loại phụ thường được sử dụng

Luận văn Thạc sĩ CBHD: PGS. TS. Huỳnh Đức Minh

1.4.3.1. Phụ gia hoạt tính puzolan

Phụ gia khoáng hoạt tính puzolan là phụ gia có nguồn gốc thiên nhiên hay

nhân tạo ở dạng nghiền mịn khi khuấy trộn tự nó không đóng rắn, nhưng có khả

năng phản ứng với vôi ở nhiệt độ thường tạo thành các sản phẩm có hoạt tính kết

dính. Khả năng liên kết vôi của phụ gia ở nhiệt độ thường khi có mặt nước gọi là

hoạt tính puzolanic. Độ hoạt tính của phụ gia phụ thuộc vào thành phần hóa học và

thành phần khoáng, tỉ lệ pha tinh thể và pha thủy tinh, độ nghiền mịn của phụ gia.

Số lượng và vôi thêm vào có ảnh hưởng đến nhiệt động học đông kết và rắn chắc

của hệ cũng như lượng nước tham gia hình thành pha hiđrat. Hiện nay độ hoạt tính

của phụ gia khoáng được đánh giá thông qua chỉ số hoạt tính (với xi măng poóc

lăng) và độ hút vôi, trong đó chỉ số hoạt tính với xi măng là quan trọng nhất.

Cơ chế hoạt tính puzolan: khi xi măng thủy hóa sinh ra pha portlandic, đặc

biệt là C3S khi thủy hóa sinh ra khoảng 6 ÷ 9% Ca(OH)2. Trong khi đó thành chủ

yếu của phụ gia hoạt tính puzolan là SiO2 vô định hình hay còn gọi là SiO2 hoạt tính

và Al2O3 hoạt tính. Các khoáng hoạt tính này sẽ phản ứng với Ca(OH)2 giải phóng

từ quá trình thủy hóa xi măng tạo thành các hợp chất C-S-H, C-A-H theo phương

trình sau:

3Ca(OH)2 + 2SiO2(vô định hình) + 3H2O → 3CaO.2SiO2.3H2O

3Ca(OH)2 + Al2O3 + 3H2O → 3CaO.Al2O3.6H2O

Các sản phẩm tạo ra từ phản ứng hoạt tính puzolan có cấu trúc giống cấu

trúc C-S-H làm đặc chắc thêm cấu trúc của bê tông, kết quả là cường độ của bê tông

được gia tăng, độ thấm giảm.

Căn cứ vào nguồn gốc tạo thành, phụ gia hoạt tính puzolan được chia thành

hai loại phụ gia nguồn gốc thiên nhiên và phụ gia nguồn gốc nhân tạo. Puzolan

thiên nhiên bao gồm: đất điatomit, đá phiến sét, tuyp và tro núi lửa, đá bọt, đá

bazan… Puzolan nhân tạo như: tro bay, tro trấu, silicafum, sisex, meta caolanh…

HVTH: Trần Thanh Tùng

16

Phụ gia hoạt tính puzolan chứa nhiều ôxit silic, ôxit nhôm ở dạng vô định

Luận văn Thạc sĩ CBHD: PGS. TS. Huỳnh Đức Minh

hình có hoạt tính. Do đó mà puzolan có những đặc tính tốt như sau:

+ Hạ thấp lượng nhiệt tỏa ra trong quá trình hiđrat hóa và giảm co ngót do

nhiệt.

+ Giảm phản ứng hóa học của cốt liệu kiềm.

+ Tăng độ đặc chắn, tính chống thấm, tính bền của bê tông ở trong nước và

trong đất có tính chất ăn mòn.

+ Trước khi sử dụng thì puzolan cần phải được gia nhiệt và nghiền mịn để

tăng hoạt tính. Tuy nhiên puzolan có thể kéo dài thời gian đông kết, làm chậm sự

phát triển cường độ bê tông ở tuổi ban đầu 3 - 7 ngày, nhưng cường độ bê tông ở

tuổi 28 ngày vẫn đạt và thậm chí còn vượt bê tông không chứa puzolan.

+ Giảm nhiệt thủy hóa nên thích hợp với bê tông khối lớn.

+ Giảm lượng nước trộn hoặc tăng tính dễ đổ

Phụ gia trộn hỗn hợp hay có thể được nghiền riêng thành bột mịn để pha

vào bê tông và vữa trước khi trộn. Xỉ hạt lò cao thường được nghiền mịn hơn xi măng, tỷ diện của nó lớn hơn 3500 cm2/g, có khi tới 5000 cm2/g, xỉ càng mịn hoạt

tính càng tăng.

1.4.3.2. Phụ gia đầy

Phụ gia đầy gồm các vật liệu khoáng thiên nhiên hoặc nhân tạo, chúng hầu

như không tham gia vào quá trình hiđrat hoá của xi măng mà chủ yếu đóng vai trò

cốt liệu mịn, làm tốt thành phần hạt và cấu trúc của đá xi măng. Phụ gia đầy sử

dụng trong công nghiệp xi măng gồm: đá vôi, đá vôi silic có mầu đen, đá sét đen,

các loại bụi thu hồi ở lọc bụi điện trong dây chuyền sản xuất xi măng cũng được sử

dụng như một loại phụ gia đầy nhân tạo.

1.4.3.3. Phụ gia công nghệ

Phụ gia công nghệ gồm các chất cải thiện quá trình nghiền, vận chuyển,

HVTH: Trần Thanh Tùng

17

đóng bao và/hoặc bảo quản xi măng nhưng không làm ảnh hưởng xấu đến tính chất

Luận văn Thạc sĩ CBHD: PGS. TS. Huỳnh Đức Minh

của xi măng, vữa và bê tông; hàm lượng phụ gia công nghệ trong xi măng không

lớn hơn 1% [3]. Phụ gia trợ nghiền chính là một loại phụ gia công nghệ, hỗ trợ cho

quá trình nghiền mịn xi măng.

Về mặt bản chất hoá học, các loại phụ gia trợ nghiền cho xi măng phần lớn

đều là các chất hoạt tính bề mặt, điện ly mạnh ở dạng dung dịch nước. Chúng

thường có bản tính kiềm pH = 8 – 12, khối lượng thể tích xấp xỉ 1,05 – 1,09 (±0,02) (g/cm3), nặng hơn nước chút ít và hoà tan tốt trong nước, tạo dung dịch nước độ

nhớt thấp, thấm ướt tốt bề mặt vật thể rắn phi kim loại. Trong công nghiệp xi măng

phụ gia trợ nghiền được sử dụng rất phổ biến, chúng được sử dụng khi nghiền mịn,

siêu mịn các loại xi măng giúp tăng hiệu quả quá trình nghiền, giảm năng lượng

nghiền.

Ngoài tác dụng trợ nghiền chúng còn có tác dụng bổ trợ ứng dụng khác như

tăng năng suất nghiền, khử hoặc ức chế hiện tượng pack set (agglomeration), hạ

thấp lượng nước liên kết khi đóng rắn, tăng độ bền cơ học của đá xi măng, tăng thời

gian bảo quản trong không khí ẩm, tăng tốc độ phát triển cường độ đá xi măng giai

đoạn đầu đông kết, tăng độ linh động của hồ xi măng và bê tông, giảm hiện tượng

tách nước của bê tông khi đóng rắn...

Các loại phụ gia trợ nghiền thông dụng được dùng trong quá trình nghiền

xi măng chủ yếu là: xà phòng naphtalen, chế phẩm từ dầu mỏ, các loại axit béo hữu

cơ C7 - C9, một số muối điện ly và có gốc kiềm (AlCl3, NaCl, Na2CO3 , CaCl2,

MgCl2, Al2(SO4)3, BaCl2), các chế phẩm từ chất thải công nghiệp giấy (dịch lignhin,

keo SSB (single strand break), các rượu đa chức (polyglycol, TEA, hỗn hợp TEA +

SSB). Hiệu quả nhất vẫn là các loại có khả năng hấp phụ bề mặt với hoạt tính cao

như TEA (Triethalolamin N(CH2CH2OH)3).

1.5. Giới thiệu chung về tro bay nhiệt điện

1.5.1. Khái niệm và phân loại tro bay

Trong các nhà máy nhiệt điện, sau quá trình đốt cháy nhiên liệu than đá,

HVTH: Trần Thanh Tùng

18

phần phế thải rắn tồn tại dưới hai dạng: phần xỉ thu được từ đáy lò và phần tro gồm

Luận văn Thạc sĩ CBHD: PGS. TS. Huỳnh Đức Minh

các hạt rất mịn bay theo khí thải, được thu gom bằng các thiết bị lọc bụi. Trước đây

ở châu Âu cũng như ở Vương quốc Anh phần tro này thường được xem là tro của

nhiên liệu đốt đã được nghiền mịn [4]. Nhưng ở Mỹ, loại tro này được gọi là tro bay

bởi vì nó thoát ra cùng với khí ống khói và “bay” vào trong không khí. Và thuật ngữ

tro bay (fly ash) được dùng phổ biến trên thế giới hiện nay để chỉ phần thải rắn thoát

ra cùng các khí ống khói ở các nhà máy nhiệt điện.

Ở một số nước, tùy vào mục đích sử dụng mà người ta phân loại tro bay

theo các loại khác nhau. Theo tiêu chuẩn DBJ08-230-98 của thành phố Thượng Hải,

Trung Quốc, tro bay được phân làm hai loại [5] là tro bay có hàm lượng canxi thấp

và tro bay có hàm lượng canxi cao. Tro bay có chứa hàm lượng canxi từ 8% trở lên

(hoặc CaO tự do trên 1%) là loại tro bay có hàm lượng canxi cao. Do đó, CaO trong

tro bay hoặc CaO tự do được sử dụng để phân biệt tro bay có hàm lượng canxi cao

với tro bay hàm lượng canxi thấp. Theo cách phân biệt này thì tro bay có hàm lượng

canxi cao có màu hơi vàng trong khi đó tro bay có hàm lượng canxi thấp có màu hơi

xám.

Theo cách phân loại của Canada, tro bay được chia làm ba loại [6]:

 Loại F: Hàm lượng CaO ít hơn 8%

 Loại CI: Hàm lượng CaO lớn hơn 8% nhưng ít hơn 20%

 Loại C: Hàm lượng CaO lớn hơn 20%

Trên thế giới hiện nay, thường phân loại tro bay theo tiêu chuẩn ASTM

C618. Theo cách phân loại này thì phụ thuộc vào thành phần các hợp chất mà tro

HVTH: Trần Thanh Tùng

19

bay được phân làm hai loại là loại C và loại F [7].

Luận văn Thạc sĩ CBHD: PGS. TS. Huỳnh Đức Minh

Bảng 3: Tiêu chuẩn tro bay theo ASTM C618

Các yêu cầu theo tiêu chuẩn Đơn Nhóm Nhóm Lớn nhất

F C ASTM C618 vị /nhỏ nhất

Yêu cầu hóa học

nhỏ nhất 70 % SiO2 + Al2O3 + Fe2O3 50

lớn nhất 5 % SO3 5

Hàm lượng ẩm lớn nhất 3 % 3

Hàm lượng mất khi nung lớn nhất 5 % 5

Yêu cầu hóa học không bắt buộc

Chất kiềm % 1,5 1,5

Yêu cầu vật lý

Độ mịn (+325) % nhỏ nhất 34 34

% nhỏ nhất 75 75 Hoạt tính pozzolanic so với xi măng (7 ngày)

% nhỏ nhất 75 75 Hoạt tính pozzolanic so với xi măng (28 ngày)

Lượng nước yêu cầu lớn nhất 105 % 105

Độ nở trong nồi hấp lớn nhất 0,8 % 0,8

Yêu cầu độ đồng đều về tỷ trọng lớn nhất 5 % 5

Yêu cầu độ đồng đều về độ mịn lớn nhất 5 % 5

Phân loại theo tiêu chuẩn ASTM:

HVTH: Trần Thanh Tùng

20

 Tro bay là loại F nếu tổng hàm lượng (SiO2 + Al2O3 + Fe2O3) ≥ 70%.

Luận văn Thạc sĩ CBHD: PGS. TS. Huỳnh Đức Minh

 Tro bay là loại C nếu tổng hàm lượng (SiO2 + Al2O3 + Fe2O3) < 70%.

Tại Việt Nam, tro bay được phân loại theo tiêu chuẩn TCVN 10302 : 2014

[8] có hai loại:

 Tro axit: tro có hàm lượng canxi ôxit đến 10 %, ký hiệu: F

 Tro bazơ: tro có hàm lượng canxi ôxit lớn hơn 10 %, ký hiệu: C

Ngoài ra còn phân loại tro bay theo mục đích sử dụng, tro bay được phân

thành 2 loại:

 Tro bay dùng cho bê tông và vữa xây, bao gồm 4 nhóm lĩnh vực sử dụng,

ký hiệu:

- Dùng cho chế tạo sản phẩm và cấu kiện bê tông cốt thép từ bê tông nặng

và bê tông nhẹ, ký hiệu: a;

- Dùng cho chế tạo sản phẩm và cấu kiện bê tông không cốt thép từ bê tông

nặng, bê tông nhẹ và vữa xây, ký hiệu: b;

- Dùng cho chế tạo sản phẩm và cấu kiện bê tông tổ ong, ký hiệu: c;

- Dùng cho chế tạo sản phẩm và cấu kiện bê tông, bê tông cốt thép làm việc

trong điều kiện đặc biệt, ký hiệu: d.

 Tro bay dùng cho xi măng, kí hiệu: xm

 Yêu cầu kỹ thuật:

- Tro bay dùng cho bê tông và vữa xây: Tro bay dùng cho bê tông và vữa

xây cần đáp ứng chỉ tiêu chất lượng quy định tại Bảng 4. [8]

Bảng 4: Chỉ tiêu chất lượng tro bay dùng cho bê tông và vữa xây

Lĩnh vực sử dụng - Mức Chỉ tiêu Loại tro bay a b c d

F 70

HVTH: Trần Thanh Tùng

21

1. Tổng hàm lượng ôxit SiO2 + Al2O3 + Fe2O3, % khối lượng, không nhỏ hơn C 45

Luận văn Thạc sĩ CBHD: PGS. TS. Huỳnh Đức Minh

Lĩnh vực sử dụng - Mức Chỉ tiêu Loại tro bay a b c d

F 3 5 3 3

C 5 5 6 3 2. Hàm lượng lưu huỳnh, hợp chất lưu huỳnh tính quy đổi ra SO3, % khối lượng, không lớn hơn

F - - - -

3. Hàm lượng canxi ôxit tự do CaOtd, % khối lượng, không lớn hơn C 2 4 4 2

F 12 15 8* 5*

4. Hàm lượng mất khi nung MKN, % khối lượng, không lớn hơn C 5 9 7 5

F 1,5 5. Hàm lượng kiềm có hại (kiềm hòa tan), % khối lượng, không lớn hơn C

F 3 6. Độ ẩm, % khối lượng, không lớn hơn C

F 25 34 40 18 7. Lượng sót sàng 45m, % khối lượng, không lớn hơn C

F 105 105 100 105 8. Lượng nước yêu cầu so với mẫu đối chứng, %, không lớn hơn C

F 0,1 - 0,1 - 9. Hàm lượng ion Cl-, % khối lượng, không lớn hơn C

10. Hoạt độ phóng xạ tự nhiên Aeff, (Bq/kg) của tro bay dùng:

370 - Đối với công trình nhà ở và công cộng, không lớn hơn

740

- Đối với công trình công nghiệp, đường đô thị và khu dân cư, không lớn hơn

HVTH: Trần Thanh Tùng

22

* Khi đốt than Antraxit, có thể sử dụng tro bay với hàm lượng mất khi nung tương ứng: lĩnh vực c tới 12 %; lĩnh vực d tới 10 %, theo thỏa thuận hoặc theo kết quả thử nghiệm được chấp nhận.

Luận văn Thạc sĩ CBHD: PGS. TS. Huỳnh Đức Minh

- Tro bay dùng cho xi măng

Tro bay dùng cho xi măng cần đáp ứng các chỉ tiêu chất lượng quy định tại

TCVN 10302: 2014 (bảng 5).

Bảng 5: Chỉ tiêu kỹ thuật tro bay dùng cho xi măng TCVN 10302 : 2014 [8]

Mức

Tro axit Tro bazơ Chỉ tiêu

F C

1. Hàm lượng mất khi nung (MKN), % khối lượng, 8* 6 không lớn hơn

3,5 2. Hàm lượng SO3, % khối lượng, không lớn hơn 5

1,0 3,0 3. Hàm lượng CaOtd, % khối lượng, không lớn hơn

4. Hàm lượng kiềm có hại (kiềm hòa tan), % khối lượng, 1,5 khônglớn hơn

5. Độ ẩm, % khối lượng, không lớn hơn 1,0

6. Chỉ số hoạt tính cường độ đối với xi măng sau 28 75 ngày so vớimẫu đối chứng, %, không nhỏ hơn

7. Hoạt độ phóng xạ tự nhiên Aeff, (Bq/kg) của tro bay, 370 không lớn hơn

* Khi đốt than antraxit, có thể sử dụng tro bay với hàm lượng mất khi nung tới 12% theo thỏa thuận hoặc theo kết quả thử nghiệm được chấp nhận

1.5.2. Các đặc trưng của tro bay

1.5.2.1. Thành phần hóa học trong tro bay

Tro của các nhà máy nhiệt điện gồm chủ yếu các sản phẩm tạo thành từ

quá trình phân hủy và biến đổi của các chất khoáng có trong than đá [9].

HVTH: Trần Thanh Tùng

23

Thông thường, tro ở đáy lò chiếm khoảng 25% và tro bay chiếm khoảng 75%

Luận văn Thạc sĩ CBHD: PGS. TS. Huỳnh Đức Minh

tổng lượng tro thải ra. Hầu hết các loại tro bay đều là các hợp chất silicat bao

gồm các ôxit kim loại như SiO2, Al2O3, Fe2O3, TiO2, MgO, CaO,… với hàm

lượng than chưa cháy chỉ chiếm một phần nhỏ so với tổng hàm lượng tro,

ngoài ra còn có một số kim loại nặng như Cd, Ba, Pb, Cu, Zn,... Thành phần

hóa học của tro bay phụ thuộc vào nguồn nguyên liệu than đá sử dụng để đốt và

điều kiện đốt cháy trong các nhà máy nhiệt điện.

Bảng 6: Thành phần hóa học của tro bay theo vùng miền [10]

Khoảng (% khối lượng)

Thành phần Châu Âu Mỹ Trung Quốc Ấn Độ Australia

28,5-59,7 37,8-58,5 35,6-57,2 50,2-59,7 SiO2 48,8-66,0

12,5-35,6 19,1-28,6 18,8-55,0 14,0-32,4 Al2O3 17,0-27,8

2,6-21,2 6,8-25,5 2,3-19,3 2,7-14,4 Fe2O3 1,1-13,9

CaO 0,5-28,9 1,4-22,4 1,1-7,0 0,6-2,6 2,9-5,3

MgO 0,6-3,8 0,7-4,8 0,7-4,8 0,1-2,1 0,3-2,0

0,1-1,9 0,3-1,8 0,6-1,3 0,5-1,2 Na2O 0,2-1,3

0,4-4,0 0,9-2,6 0,8-0,9 0,8-4,7 K2O 1,1-2,9

0,1-1,7 0,1-0,3 1,1-1,5 0,1-0,6 P2O5 0,2-3,9

0,5-2,6 1,1-1,6 0,2-0,7 1,0-2,7 TiO2 1,3-3,7

MnO 0,03-0,2 - 0,5-1,4 - -

0,1-12,7 0,1-2,1 1,0-2,9 - SO3 0,1-0,6

MKN 0,8-32,8 0,2-11,0 0,5-5,0 - -

Tùy thuộc vào loại nhiên liệu mà thành phần hóa học trong tro bay thu được

HVTH: Trần Thanh Tùng

24

là khác nhau. Các nhà khoa học Ba Lan tiến hành nghiên cứu thành phần hóa học

Luận văn Thạc sĩ CBHD: PGS. TS. Huỳnh Đức Minh

của tro bay với hai nguồn nguyên liệu sử dụng trong các nhà máy nhiệt điện của

nước này là than nâu và than đen, số liệu như trong bảng 7 [11]:

Bảng 7: Thành phần hóa học tro bay ở Ba Lan từ các nguồn nguyên liệu khác nhau

Thành phần Loại tro bay MgO CaO SiO2 Al2O3 Fe2O3 TiO2

Than đen

54,1 28,5 5,5 1,1 1,9 ZS-14 1,8

41,3 24,1 7,1 1,0 2,0 2,7 ZS-17

Than nâu

27,4 6,6 3,8 1,0 8,2 34,5 ZS-13

47,3 31,4 7,7 1,6 1,9 1,7 ZS-16

Kết quả trên cho thấy, thành phần của các loại tro bay có được sau quá

trình đốt cháy than đen (ZS-14 và ZS-17) và mẫu tro bay có được sau quá trình đốt

cháy than nâu (ZS-16) là các hợp chất alumo silicat. Còn mẫu tro bay có được sau

quá trình đốt cháy than nâu (ZS-13) là loại canxi silicat.

Các thí nghiệm khảo sát thành phần hóa học trong các mẫu tro bay ở các

nước khác cũng đã được tiến hành và thu được các kết quả tương tự. Đa số các mẫu

tro bay ở Trung Quốc có thành phần chủ yếu là SiO2 và Al2O3, hàm lượng của

chúng vào khoảng 650 g/kg đến 850 g/kg. Các thành phần khác bao gồm lượng than

chưa cháy, Fe2O3, MgO và CaO. Tro bay Trung Quốc chứa hàm lượng than chưa

cháy cao là do hệ thống lò đốt ở các nhà máy nhiệt điện ở Trung Quốc. Theo tiêu

chuẩn phân loại ASTM C618 thì tro bay Trung Quốc thuộc loại C hay tro bay có

chất lượng thấp. Điều này ảnh hưởng lớn đến các ứng dụng của tro bay ở Trung

HVTH: Trần Thanh Tùng

25

Quốc [12].

Luận văn Thạc sĩ CBHD: PGS. TS. Huỳnh Đức Minh

1.5.2.2. Cấu trúc hình thái của tro bay

Hình thái và kích thước của các hạt tro bay được mô tả trong hình 2, 3 [13].

Hầu hết các hạt tro bay đều có dạng hình cầu với các kích thước hạt khác nhau, các

hạt tro bay được chia ra làm hai dạng: dạng đặc và dạng rỗng.

Thông thường, các hạt tro bay hình cầu, rắn được gọi là các hạt đặc và các hạt tro bay hình cầu mà bên trong rỗng có tỷ trọng thấp hơn 1,0 g/cm3 được gọi là

các hạt rỗng.

Một trong các dạng thường thấy ở tro bay thường được tạo nên bởi các hợp

chất có dạng tinh thể như thạch anh, mulit và hematit, các hợp chất có dạng thủy

tinh như thủy tinh ôxit silic và các ôxit khác.

Hình 3: Sự tương phản về kích thước Hình 4: Đặc trưng dạng cầu của các hạt

giữa các hạt tro bay hình cầu lớn và các tro bay

HVTH: Trần Thanh Tùng

26

hạt nhỏ.

Luận văn Thạc sĩ CBHD: PGS. TS. Huỳnh Đức Minh

Các hạt tro bay đặc có khối lượng riêng trong khoảng 2,0 - 2,5 g/cm3 có thể

cải thiện các tính chất khác nhau của vật liệu nền như độ cứng và độ bền kéo. Các

hạt tro bay rỗng có thể được sử dụng trong tổng hợp vật liệu compozit siêu nhẹ do khối lượng riêng rất nhỏ của chúng, chỉ khoảng 0,4 - 0,7 g/cm3, trong khi các chất nền kim loại khác có khối lượng riêng trong khoảng từ 1,6 - 11,0 g/cm3. Cả hai loại

hạt này thường thấy có lớp vỏ không hoàn chỉnh (bị rỗ).

* Cấu trúc bên trong:

Cấu trúc bên trong có thể được thấy bởi các quan sát đơn giản. Cấu trúc này

bị che lấp bởi lớp vỏ thủy tinh, vì thế nó có thể được quan sát khi được xử lý với

dung dịch HF, dung dịch này có thể hòa tan nhanh chóng phần thủy tinh và để lộ ra

lớp vỏ bên trong.

Nghiên cứu của Biggs và Brunsnel trong hình 5 cho thấy hai hạt tro bay

cạnh nhau sau khi tiếp xúc ngắn (1/2 giờ) với dung dịch axit hiđrô floric 1%, hai

cấu trúc bên trong rất khác nhau đã được lộ ra. Các hạt bên trái là các hạt giàu sắt,

có từ tính, hạt bên phải có cấu trúc tinh thể hình cây. Các hạt ở bên phải hình 6 chứa

một cấu trúc đặc trưng của các hạt mullit có dạng thanh mỏng hay dạng hình kim,

được tìm thấy trong hầu hết các hạt không có từ tính của các hạt tro bay có hàm

lượng canxi thấp điển hình.

Hình 5: Cấu trúc hạt tro bay sau khi Hình 6: Cấu trúc tro bay tiếp xúc với

HVTH: Trần Thanh Tùng

27

tiếp xúc ngắn với dung dịch HF. dung dịch HF trong thời gian dài.

Luận văn Thạc sĩ CBHD: PGS. TS. Huỳnh Đức Minh

Sự hỗn tạp của các hạt tro bay và cấu trúc của chúng được thể hiện trong

hình 5. Mẫu tro bay này được tiếp xúc nhẹ trong thời gian lâu hơn với quá trình xử

lý bằng axit hiđrô floric trong thời gian 1 giờ. Phần thủy tinh trong các hạt ở vùng

giữa và trong của một số hạt khác được phân bố xung quanh phần đã bị hòa tan ở

mức độ lớn.

1.5.2.3. Phân bố kích thước hạt trong tro bay

Kích thước hạt tro bay là một yếu tố quan trọng quyết định đến khả năng

ứng dụng của nó. Mỗi loại tro bay tùy thuộc vào nguồn nguyên liệu, điều kiện đốt

và phương pháp thu hồi mà có sự phân bố kích thước hạt trong tro bay khác nhau.

Tro bay có kích thước hạt nằm trong khoảng 10 - 350 m, trong đó phân đoạn có

đường kính hạt nhỏ hơn 45 m chiếm tỷ trọng lớn.

Bảng 8: Phân bố kích thước hạt các phân đoạn tro bay Israel [14]

Nguồn nguyên liệu Phân đoạn Kích thƣớc

(mesh) (μm) Nam Phi (%) Colombia (%)

< 100 > 150 1,9 4,5

100–200 150–75 8,2 10,0

200–325 75–45 10,6 9,2

> 325 < 45 79,2 76,3

Tùy thuộc vào mục đích và nhu cầu sử dụng mà có thể tách các phân đoạn

kích thước khác nhau. Hai loại tro bay thương phẩm của Công ty Boud Minerals &

Polymers (Anh Quốc) sử dụng làm chất gia cường cho chất dẻo có kích thước hạt

HVTH: Trần Thanh Tùng

28

thể hiện trên bảng 9.

Luận văn Thạc sĩ CBHD: PGS. TS. Huỳnh Đức Minh

Bảng 9: Kích thước hạt tro bay thương phẩm

Thông số Đơn vị Plasfill 5 Plasfill 15

m 3,8 11,5 D50

19,5 110 m D99

8,5 52 D90 m

Tỷ trọng 2,15 2,25 g/cm3

Mầu sắc Ghi sáng Ghi sáng

1.5.3. Đặc tính của tro bay dùng trong xi măng

Tro bay là một loại vật liệu puzolan nhân tạo lấy từ chất lắng đọng trong

quá trình cháy của than chưa hết. Nó được thu lượm bằng máy tách cơ khí hay máy

tách tĩnh điện từ ống khói nhà máy nhiệt điện mà sử dụng than nghiền làm nhiên

liệu. Là một vật liệu rất mịn nên thành phần chủ yếu của tro bay là các hạt thủy tinh

nhỏ hình cầu. Loại vật liệu này một thời đã được coi là rác thải khó xử lí và khó

phân hủy, nhưng hiện nay nó được coi là vật liệu có giá trị cao khi sử dụng kết hợp

như là một phụ gia.

Tro bay thu được từ nhà máy tách bằng khí xoáy có kích thước hạt tương

đối lớn, trong khi đó tro bay thu được từ tấm hút tĩnh điện thì khá mịn và có tỉ diện bề mặt tương đối lớn 3000 - 5000 cm2/g. 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 hàm lượng cacbon phải thấp và SiO2 phải ở dạng

bột mịn và rời rạc.

* Ưu điểm của việc sử dụng tro bay:

+ Kích thước hạt tro bay rất mịn, tương thích với thành phần hạt của xi

măng, dễ dàng lấp đầy vào các lỗ trống để làm tăng độ chắc đặc cho đá xi măng.

+ Khả năng hoạt tính của tro bay cao nên nó phát huy tốt vai trò phụ gia

HVTH: Trần Thanh Tùng

29

trong việc làm giảm lượng Ca(OH)2 dễ hòa tan trong xi măng và tạo thành gel C-S-

Luận văn Thạc sĩ CBHD: PGS. TS. Huỳnh Đức Minh

H có khả năng rắn chắc với phản ứng điển hình như sau:

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

+ Khắc phục đáng kể hiện tượng xâm thực của môi trường nước biển

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

* Với những ưu điểm khi sử dụng phụ gia tro bay được nêu trên, hiện nay

nhiều nước trên thế giới đã sử dụng tro bay của các nhà máy nhiệt điện làm phụ gia

để sản xuất xi măng hỗn hợp PCB. Một số thông tin về việc sử dụng tro bay trong

sản xuất xi măng được đưa ra ở bảng sau:

Bảng 10: Tỉ lệ tro bay sử dụng trong xi măng ở các nước [15]

Các nƣớc Tỉ lệ tro bay trong hỗn hợp xi măng, %

Malaisia 6 – 50

Philipphin < 40

Trung Quốc 15 –50

Hàn Quốc 5 – 30

Nhật Bản 5 – 30

Châu Âu < 55

Việt Nam 10 – 40

1.5.4. Sản lượng tro bay và tình hình sử dụng tro bay trên thế giới

Nhu cầu tiêu thụ điện năng trên thế giới không ngừng tăng lên theo tốc độ

phát triển của nền kinh tế xã hội. Các nguồn cung cấp điện năng mới hiện nay đang

phát triển nhanh chóng phải kể đến như năng lượng mặt trời, năng lượng gió, năng

lượng thủy triều,… Tuy có nhiều ưu điểm và được khuyến khích sử dụng nhưng các

nguồn cung cấp điện năng này hiện nay mới chỉ đáp ứng được một lượng rất nhỏ

nhu cầu điện năng toàn cầu và chỉ tập trung ở một vài nước phát triển. Nguồn cung

HVTH: Trần Thanh Tùng

30

cấp điện năng chủ yếu vẫn dựa trên các nguồn truyền thống và không ngừng phát

Luận văn Thạc sĩ CBHD: PGS. TS. Huỳnh Đức Minh

triển hàng năm. Trong đó các nhà máy nhiệt điện sử dụng nhiên liệu hóa thạch

chiếm một tỷ trọng lớn.

Hình 7: Biểu đồ sản lượng tro bay và phần trăm sử dụng tro bay ở Mỹ từ 1966 -

2012

Mỹ là một trong các quốc gia tiêu thụ điện năng hàng đầu thế giới và cũng

là nước có sản lượng các sản phẩm từ quá trình đốt cháy than đá trong các nhà máy

nhiệt điện lớn của thế giới [16]. Năm 2007, Mỹ đã tạo ra hơn 125 triệu tấn các sản

phẩm từ than đá bao gồm tro bay, tro đáy lò, xỉ lò,… Phần trăm sử dụng tro bay ở

Mỹ đã giảm trong những năm 2007 - 2010, nhưng sau đó tỷ lệ sử dụng tro bay lại

tăng. Trung Quốc là nước đứng đầu về sản xuất điện năng từ than đá, do vậy lượng

tro bay tạo ra từ việc đốt than đá cũng rất lớn. Năm 2009, công suất phát điện và

điện năng của các nhà máy nhiệt điện đều tăng khoảng 7 - 8%. Mặc dù, lượng tiêu

thụ than đã được giảm xuống bằng cách nâng cao hiệu quả của máy phát điện,

nhưng lượng tro bay tạo ra vẫn duy trì đà tăng [17]. Năm 2010, lượng tro bay tạo ra

HVTH: Trần Thanh Tùng

31

là 480 triệu tấn và với tốc độ tăng trưởng 20 triệu tấn mỗi năm, dự kiến lượng tro

Luận văn Thạc sĩ CBHD: PGS. TS. Huỳnh Đức Minh

Triệu tấn

Năm

bay tạo ra ở Trung Quốc hiện nay đạt trên 500 triệu tấn.

Hình 8: Biểu đồ lượng tro bay tạo thành, tro bay sử dụng và phần trăm sử dụng tro

bay ở Trung Quốc từ 2001 - 2008

Ở Ấn Độ, một lượng lớn tro bay tạo ra trong quá trình đốt cháy than của các

nhà máy nhiệt điện. Lượng tro bay tạo ra hàng năm liên tục tăng từ khoảng 1 triệu

tấn vào năm 1947 lên khoảng 40 triệu tấn trong năm 1994 và năm 2012 vào khoảng

131 triệu tấn. Kể từ 1996 - 97 đến 2010 - 11, lượng tro bay sử dụng vào trong các

lĩnh vực công nghiệp cũng tăng (năm 1996 - 1997 là 9,63% đến năm 2010 - 2012 là

56%). Năm 2009 - 2010 ở Ấn Độ đạt được mức độ sử dụng tro bay cao nhất 63%

[18]. Như một điều hiển nhiên, khi lượng than đá sử dụng trong các nhà máy nhiệt

điện càng nhiều thì các sản phẩm phụ của quá trình đốt cháy nhiên liệu như xỉ than

hay tro bay sinh ra cũng tăng theo. Thống kê của các nhà khoa học Hy Lạp cho thấy

lượng tro bay sinh ra gần như tỷ lệ tuyến tính với lượng nhiên liệu than đá được sử

dụng [19]. Theo ước tính, lượng tro bay thải ra trên toàn cầu vào khoảng trên 700

triệu tấn. Sản lượng và phần trăm sử dụng tro bay của một số nước được trình bày

HVTH: Trần Thanh Tùng

32

trong bảng 11 [16-18, 20].

Luận văn Thạc sĩ CBHD: PGS. TS. Huỳnh Đức Minh

Bảng 11: Sản lượng và phần trăm sử dụng tro bay ở một số nước

Tro bay sử dụng TT Nƣớc sảnxuất Sản lƣợng tro bay hàngnăm (triệu tấn) (%)

1 Trung Quốc (2010) 480 67

2 Ấn Độ (2012) 131 54

3 Mỹ (2010) 70 45

4 Đức 40 85

5 Anh 15 50

6 Australia 10 85

7 Canada 6 75

8 Pháp 3 85

9 Đan Mạch 2 100

10 Ý 2 100

11 Hà Lan 2 100

Ở Việt Nam, phần lớn các nhà máy nhiệt điện đốt than chủ yếu tập trung ở

phía Bắc do gần nguồn than. Tổng công suất các nhà máy nhiệt điện đang vận hành

tính ở thời điểm 2010 là 4.250 MW và dự kiến vào năm 2020 sẽ là 7.240 MW.

Bảng 12: Tro bay từ các nhà máy nhiệt điện trong giai đoạn 2005 - 2020

TT Năm Công suất, MW Tiêu thụ than, triệu tấn/năm Lƣợng tro bay,triệu tấn/năm

2005 1.450 4,35 1,30 - 1,52 1

2010 4.250 12,75 3,82 - 4,46 2

2015 6.240 18,72 5,61 - 6,55 3

2020 7.240 21,72 6,51 - 7,60 4

(Nguồn: http://www.xaydung.gov.vn/Tái chế và sử dụng tro xỉ ở các nhà máy nhiệt

HVTH: Trần Thanh Tùng

33

điện chạy than ở Việt Nam 9/21/10).

Luận văn Thạc sĩ CBHD: PGS. TS. Huỳnh Đức Minh

Nguồn cung cấp than nhiên liệu trong nước cho các nhà máy điện thường là

loại than chất lượng thấp, có độ tro lớn hơn 31 ÷ 32%, thậm chí đến 43 ÷ 45%. Do

đó, các nhà máy nhiệt điện thải ra lượng tro bay khá lớn, có thể chiếm tới 20 ÷ 30%

lượng than sử dụng. Với suất tiêu hao than trung bình khoảng 500 g/kWh, tổng

lượng than sử dụng cho nhiệt điện và lượng tro bay tạo thành được trình bày trong

bảng 12.

1.6. Tro bay nhiệt điện Duyên Hải

Nhà máy nhiệt điện Duyên Hải được xây dựng tại thị xã Duyên Hải, tỉnh

Trà Vinh. Công suất thiết kế 1245 MW gồm 2 tổ máy phát điện. Đây là nhà máy

nhiệt điện ngưng hơi truyền thống, sử dụng nhiên liệu than cám 6, thông số hơi dưới

tới hạn, công nghệ đốt hiện đại, đảm bảo các chỉ tiêu cao về độ sẵn sàng, hiệu suất,

tính ổn định, an toàn và đảm bảo các yêu cầu về bảo vệ môi trường do áp dụng các

phương pháp lọc bụi, khử NOx và SOx thông qua các thiết bị hiện đại và tiên tiến

hiện nay [21].

Tro bay được thu hồi qua lọc bụi sau đó bơm đến hệ thống silo chứa tạm.

Dưới đáy silo chứa có bố trí hệ thống phun nước làm ẩm tro bay nhằm hạn chế bụi

phát tán khi rút tro bay từ silo chứa lên xe tải chở đến bãi thải. Tổng lượng tro bay

và xỉ đáy của nhà máy nhiệt điện Duyên Hải 1 thải ra vào khoảng 1,2 triệu tấn/năm,

trong đó 75 - 90% là tro bay.

Tro bay nhiệt điện Duyên Hải được thu hồi bằng lọc bụi tĩnh điện có nhiều

buồng và nhiều cấp điện áp. Do vậy cỡ hạt của tro bay Duyên Hải cũng phân bố rộng, tỉ diện bề mặt từ 2500 – 6000 cm2/g, màu xám đen, nhẹ.

Theo thông số do nhà máy cung cấp, tro bay nhiệt điện Duyên Hải bao gồm

tất cả các đặc trưng của tro bay axit, hàm lượng SiO2 cao, hàm lượng CaO thấp hơn

10% (bảng 13). Căn cứ vào TCVN 10302 : 2014 thì tro bay nhiệt điện Duyên Hải

thuộc loại F (tro bay axit) đáp ứng yêu cầu của tiêu chuẩn về chất lượng tro bay sử

HVTH: Trần Thanh Tùng

34

dụng cho xi măng.

Luận văn Thạc sĩ CBHD: PGS. TS. Huỳnh Đức Minh

Bảng 13: Thành phần hóa học của tro bay nhiệt điện Duyên Hải

MKN CKT SO3 SiO2 Al2O3 Fe2O3 CaO MgO CaOtd

(%) (%) (%) (%) (%) (%) (%) (%) (%)

6 - 10 75 - 79 0 - 0,5 52 - 56 20 - 24 7 - 8 3 - 5 2 - 3 0 - 0.8

Tại nhà máy nhiệt điện Duyên Hải người ta phân tro bay thành hai loại,

chứa 2 loại tro bay này trong silo khác nhau. Loại tro bay thô chứa trong silo số 1,

loại này được thu hồi tại trường số 1 và 2 của lọc bụi điện, cỡ hạt hơi thô và hàm

lượng mất khi nung lớn (16 ÷ 20%). Loại tro bay tinh được chứa trong silo số 2 và

3, loại này được thu hồi tại các trường 3; 4; 5 của lọc bụi điện, tro bay này có cỡ hạt

nhỏ mịn, mất khi nung vào khoảng 6 ÷ 10%.

Loại tro bay nghiên cứu trong đề tài này là loại tro bay tinh, lấy mẫu tro bay

tại silo số 2 và 3.

1.7. Một số công trình nghiên cứu dùng tro bay làm phụ gia xi măng trong và ngoài nƣớc

1.7.1. Trong nước

* Công trình nghiên cứu sử dụng tro bay Nhà máy nhiệt điện Suralaya

Indonesia làm phụ gia khoáng cho sản xuất xi măng tại Công ty xi măng Holcim

Việt Nam do ThS. Nguyễn Văn Đoàn chủ nhiệm đề tài đã đưa ra được các kết luận

sau: [22].

- Tro bay nhà máy nhiệt điện Suralaya, Indonesia có chất lượng tốt, các chỉ

tiêu kỹ thuật đáp ứng tiêu chuẩn TCVN 6882 : 2001 “Phụ gia khoáng cho xi

măng” và ASTM C618 - 99 “Yêu cầu kỹ thuật của tro bay và puzolan nung

hoặc tự nhiên dùng làm phụ gia khoáng cho bê tông”. Tro bay Indonesia

thuộc loại phụ gia khoáng hoạt tính cao, có thể dùng cho sản xuất xi măng

và bê tông.

- Khi sử dụng tro bay Indonesia để sản xuất xi măng poóc lăng hỗn hợp trên

HVTH: Trần Thanh Tùng

35

cơ sở clinker xi măng poóc lăng của Công ty xi măng Holcim, có thể sử

Luận văn Thạc sĩ CBHD: PGS. TS. Huỳnh Đức Minh

dụng ở tỷ lệ tối đa đến 40% theo quy định trong TCVN 6260 : 1997.

- Có thể sử dụng tro bay Indonesia và clinker xi măng poóc lăng của Công ty

xi măng Holcim để sản xuất xi măng ít toả nhiệt theo ASTM C1157 : 00.

Sử dụng tỷ lệ từ 20 - 30% cho loại toả nhiệt trung bình và từ 30% trở lên

cho loại toả nhiệt thấp.

- Có thể sử dụng tro bay Indonesia và clinker xi măng poóc lăng của Công ty

xi măng Holcim để sản xuất xi măng bền sun phát theo ASTM C1157 : 00.

Có thể sử dụng tỷ lệ từ 20 - 30% cho loại bền sun phát trung bình và từ

40% trở lên cho loại bền sun phát cao.

- Khi sử dụng tro bay Indonesia để sản xuất các loại xi măng tại Công ty xi

măng Holcim, cần căn cứ vào hoạt tính thực tế và thành phần khoáng hoá

của clinker, các yêu cầu xi măng cần chế tạo để xác định tỷ lệ pha trộn phù

hợp.

- Tro bay Indonesia có hiệu quả trong việc hạn chế phản ứng kiềm - cốt liệu,

xi măng Holcim có tỷ lệ sử dụng tro bay lớn hơn 30% có khả năng ngăn

ngừa phản ứng kiềm - cốt liệu theo ASTM ACI201.2R - 01.

* Đề tài thạc sĩ khoa học: Nghiên cứu ảnh hưởng của phụ gia hỗn hợp tro

bay – CMC (carboxymethyl cellulose) đến tính chất của xi măng, tác giả Phạm Thị

Chọn – Trường Đại học Khoa học Tự nhiên – Đại học Quốc gia Hà Nội, đưa ra các

kết luận như sau:

- Sử dụng phụ gia tro bay với tỷ lệ 2% so với khối lượng xi măng làm giảm

đáng kể lượng vôi tự do trong xi măng, đồng thời tăng pha kết dính CSH, đem lại hiệu quả tốt về cường độ kháng nén (42 N/mm2), độ hút nước bảo

hòa nhỏ, do vậy độ chắc đặc cao.

- Sử dụng hỗn hợp 2% phụ gia tro bay với 0,2% phụ gia CMC thì cho cường độ kháng nén cao (72 N/mm2), độ hút nước bão hòa giảm hơn khi sử dụng

HVTH: Trần Thanh Tùng

36

riêng biệt phụ gia tro bay hay phụ gia CMC.

Luận văn Thạc sĩ CBHD: PGS. TS. Huỳnh Đức Minh

1.7.2. Nước ngoài

Hình 9: Ảnh hưởng của hàm lượng tro bay đến thời gian đông kết và cường độ sớm

(Các chỉ số 0; 10; 20; 30; 40; 50; 60; 70 thể hiện tỉ lệ tro bay thay thế xi măng tính

theo khối lượng)

* Trong nội dung “Nghiên cứu ảnh hưởng của hàm lượng tro bay đến thời

gian đông kết và cường độ sớm của xi măng poóc lăng hỗn hợp chứa tro bay”, các

tác giả S.W. Tang, X.H. Cai, Z. He, H.Y. Shao, Z.J. Li, E. Chen đã kết luận rằng khi

hàm lượng tro bay trong xi măng tăng lên sẽ làm tăng thời gian đông kết và suy

giảm cường độ sớm của xi măng. Kết quả cụ thể như biểu đồ trong hình 9.

Kết quả nghiên cứu được đăng trên tạp chí Construction and Building

Materials [23]

* Tác giả N. Bouzoubaâ và nhóm cộng sự trong công trình nghiên cứu ảnh

hưởng của quá trình nghiền đến các tính chất vật lý của tro bay và clinker xi măng

portland đã cho thấy:

Trọng lượng và độ mịn của tro bay tăng lên cùng với sự gia tăng thời gian

nghiền. Tuy nhiên, sự gia tăng này không đáng kể sau 2 giờ nghiền.

Hình thái học của hạt tro bay bị thay đổi bởi quá trình nghiền. Hầu hết các

các hạt lớn, các hạt không đều đều bị nghiền nát sau 2 giờ nghiền. Tuy nhiên, số

HVTH: Trần Thanh Tùng

37

lượng các hạt hình cầu cũng giảm đi cùng với sự gia tăng thời gian nghiền.

Luận văn Thạc sĩ CBHD: PGS. TS. Huỳnh Đức Minh

Các chỉ số hoạt tính cường độ của ba loại tro bay nghiên cứu tăng lên cùng

với thời gian nghiền gia tăng. Có vẻ như thời gian nghiền tối ưu khoảng 4 giờ đối

với tro bay, nghiền quá 4 giờ lượng nước tiêu chuẩn tăng lên, và chỉ số hoạt tính

cường độ giảm hoặc không tăng đáng kể. [24]

* C.Y.Lee và nhóm nghiên cứu trong một khảo sát về đặc tính cường độ và

vi cấu trúc của hệ xi măng - tro bay hoạt hóa đã chỉ ra rằng:

Cường độ và các đặc tính cấu trúc vi mô của hệ thống xi măng - tro bay có

chứa ba loại hoạt chất Na2SO4, K2SO4, và triethanolamin để tăng cường độ sớm của

vữa xi măng - tro bay. Các chất kích hoạt không chỉ làm giảm lượng Ca(OH)2 sinh

ra, mà còn gia tăng lượng ettringite ở tuổi sớm.

Trong các giai đoạn bảo dưỡng sớm của vữa tro bay - xi măng chứa hoạt

chất, một lượng lớn ettringite được hình thành kết quả làm giảm kích thước các lỗ

rỗng trong khoảng từ 0,01 đến 5 mm.

 Kết luận chung:

Thông qua quá trình khảo sát về sản lượng và chất lượng của tro bay nhiệt

điện nói chung, tro bay Duyên Hải nói riêng, kết hợp với các vấn đề lý thuyết về xi

măng, các phân tích, kết luận về nghiên cứu ứng dụng tro bay làm phụ gia trong xi

măng, đề tài đã đúc rút và định hướng nội dung thực nghiệm cụ thể như sau:

- Tro bay Duyên Hải sơ bộ đáp ứng sử dụng làm phụ gia khoáng hoạt tính

trong xi măng, cần có khảo sát nghiên cứu cụ thể hơn để tận dụng nguồn

phế thải này trong sản xuất xi măng FiCO.

- Đưa tro bay vào máy nghiền để nghiền chung cùng các nguyên vật liệu

khác có thể làm tăng hoạt tính của tro, mặc khác tro bay Duyên Hải có cấu

trúc xốp rỗng, cỡ hạt nhỏ mịn do vậy khả năng ảnh hưởng đến năng suất

nhỏ hoặc không đáng kể.

- Tro bay đưa vào xi măng ngoài tác dụng tăng cường độ cơ học còn mang lại

các đặc tính tốt cho xi măng như: giảm lượng nước tiêu chuẩn, tăng độ

HVTH: Trần Thanh Tùng

38

chống thấm cho vữa/bê tông, tăng cường khả năng chịu chua phèn…

Luận văn Thạc sĩ CBHD: PGS. TS. Huỳnh Đức Minh

Chƣơng 2. THỰC NGHIỆM VÀ PHƢƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU

2.1. Hóa chất và dụng cụ

2.1.1. Nguyên liệu, hóa chất

+ Clinker FICO: sản xuất tại Nhà máy xi măng Tây Ninh

+ Thạch cao Thái Lan

+ Đá vôi: khai thác tại mỏ đá vôi – Nhà máy xi măng Tây Ninh.

+ Puzolan Bình Phước: Công ty khai thác khoáng sản FICO Bình Phước

(BIFICO) cung cấp.

+ Tro bay nhiệt điện Duyên Hải – Trà Vinh

+ Axeton: mua trên thị trường

2.1.2. Dụng cụ

Các dụng cụ thí nghiệm được trang bị đầy đủ để thực hiện các thí nghiệm

theo tiêu chuẩn mà đề tài cần triển khai.

2.2. Xác định thành phần khoáng, hoá và độ hoạt tính của tro bay

2.2.1. Xác định thành phần hóa học

Mẫu tro bay được sấy khô, nghiền mịn, bảo quản trong bình hút ẩm. Tiến

hành phân tích thành phần hóa học của tro bay theo TCVN 141 : 2008.

2.2.2. Xác định thành phần khoáng của tro bay và puzolan

Xác định thành phần khoáng tro mẫu tro bay và puzolan bằng phương pháp

nhiễu xạ Rơnghel (XRD)

Nguyên tắc: Theo lý thuyết cấu tạo tinh thể, mạng tinh thể được xây dựng

từ các nguyên tử hay ion phân bố đều đặn trong không gian theo một qui luật xác

định. Khi chùm tia Rơnghel tới bề mặt tinh thể và đi vào bên trong mạng lưới tinh

thể thì mạng lưới này đóng vai trò như một cách tử nhiễm xạ đặc biệt. Các nguyên

tử, ion được kích thích bởi chùm tia X sẽ trở thành các tâm phát ra tia phản xạ.

HVTH: Trần Thanh Tùng

39

Nguyên tắc cơ bản của phương pháp nhiễm xạ tia X là dựa vào phương

Luận văn Thạc sĩ CBHD: PGS. TS. Huỳnh Đức Minh

trình Vulf - Bragg sau đây:

nλ = 2dsinθ

Trong đó:

n: bậc nhiễm xạ (n là các số nguyên)

λ: bước sóng của tia X

d: khoảng cách giữa 2 mặt tinh thể

θ: góc giữa tia tới và mặt phẳng phản xạ

Với mỗi nguồn tia X có bước sóng λ xác định, khi thay đổi góc tới θ, mỗi

vật liệu có một bộ giá trị d đặc trưng. So sánh giá trị d với d chuẩn sẽ xác định được

cấu trúc mạng tinh thể của chất cần nghiên cứu.

2.2.3. Xác định độ hoạt tính

Mẫu tro bay, puzolan được xác định bằng phương pháp độ hút vôi theo

phương pháp nhanh. Cơ sở của phương pháp là phản ứng của SiO2 hoạt tính với

Ca(OH)2. Độ hút vôi được tính bằng số mgCaO hấp thụ trên 1 gam phụ gia hoạt

tính, nội dung cụ thể như sau:

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

nhám sau đó cho vào bình 100 ml dung dịch nước vôi bão hòa, lắc đều trong 1 phút, đặt vào tủ sấy 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 bằng HCl 0,1N dùng chỉ thị methyl da cam. Tiếp tục bổ sung 50 ml

nước vôi bão hòa vào bình 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 thuđược độ hút vôi

của phụ gia và đưa ra phân loại hoạt tính của phụ gia đó.

Số mg CaO do 1 gam mẫu hút được sau lần chuẩn thứ nhất là:

HVTH: Trần Thanh Tùng

40

G1= V.ao – V.b1

Luận văn Thạc sĩ CBHD: PGS. TS. Huỳnh Đức Minh

Gn = (Van-1 + Vbn-1)/2 - Vbn

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

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

chuẩn.

Bảng 14: Phân loại hoạt tính của phụ gia theo độ hút vôi

Phân loại Đánh giá

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

2.2.4. Đo độ dẫn điện xác định nhanh độ hoạt tính tro bay

Ngoài phương pháp truyền thống là đo độ hút vôi và chỉ số hoạt tính cường

độ, thời gian gần đây các nhà khoa họ nghiên cứu về các phụ gia hoạt tính puzolanic

đề xuất phương pháp mới để xác định độ hoạt tính của tro bay. Đó là phương pháp

đo độ dẫn điện của dung dịch NaOH hoặc Ca(OH)2 chứa một lượng tro bay nhất

định.

Nguyên tắc của phương pháp này được mô tả như sau:

Chuẩn bị dung dịch vôi bão hòa, tro bay sấy khô, tro bay nghiền 5 phút và

tro bay nghiền 10 phút. Cân chính xác 5g lần lượt tro bay, tro bay nghiền 5 phút và

tro bay nghiền 10 phút cho vào cốc thủy tinh 200 ml (chú ý lựa chọn loại cốc thủy

tinh sao cho mực dung dịch trong cốc cao hơn chiều cao sensor của máy đo). Hút

mỗi lần 200 ml dung dịch vôi bão hòa đổ vào 4 cốc thủy tinh kí hiệu HVv, HV0,

HV5, HV10 trong đó cốc HVv là mẫu trắng, HV0 chứa 5g tro bay không nghiền, HV5

HVTH: Trần Thanh Tùng

41

chứa 5g tro bay nghiền 5 phút và HV10 chứa 5g tro bay nghiền 10 phút. Đưa cả 4

Luận văn Thạc sĩ CBHD: PGS. TS. Huỳnh Đức Minh

cốc vào tủ sấy nâng nhiệt độ dung dịch lên đến 40OC, khuấy đều trong 2 phút ở nhiệt độ này. Duy trì dung dịch ở 40OC và tiến hành đo độ dẫn điện của chúng bằng

máy đo Thermo Scientificmodel CON 6+, thời gian mỗi lần đo từ 0,5 - 1 phút trong

1 giờ. Ghi chép kết quả phép đo vào sổ thực nghiệm.

Hình 10: Máy đo độ dẫn điện cầm tay Thermo Scientific model CON 6+ (Hoa Kỳ)

2.3. Khảo sát các tính chất cơ lý của xi măng

2.3.1. Chuẩn bị các cấp phối nghiên cứu

Với định hướng nghiên cứu để thay thế tro bay cho đá puzolan và cho cả

clinker trong phối liệu nghiền xi măng, đề tài định hướng xây dựng các bài cấp phối

HVTH: Trần Thanh Tùng

42

như trong bảng 15:

Luận văn Thạc sĩ CBHD: PGS. TS. Huỳnh Đức Minh

Bảng 15: Thành phần các bài cấp phối nghiên cứu

Cấp phối

Mã hóa Clinker T.Cao Puzolan Đá vôi Tro bay P.gia trợ nghiền

(%) (%) (%) (%) (%) (%)

68 Pu7.5 4 20,5 0,0 0,05 7,5

Tb7.5 68 4 20,5 7,5 0,05 0,0

Tb9.5 66 4 20,5 9,5 0,05 0,0

Tb11.5 64 4 20,5 11,5 0,05 0,0

Tb13.5 62 4 20,5 13,5 0,05 0,0

Tb15.5 60 4 20,5 15,5 0,05 0,0

Tb17.5 58 4 20,5 17,5 0,05 0,0

Chuẩn bị nguyên vật liệu nghiền mẫu xi măng:

Clinker FiCO: lấy mẫu clinker tốt tại silo nhà máy xi măng Tây Ninh, khối

lượng 30 kg, qua kẹp hàm giảm kích thước ≤ 2mm, bảo quản trong bao nylon kín.

Đá puzolan Bình Phước lấy tại kho, khối lượng 2 kg, kẹp hàm giảm kích

thước ≤ 2mm, sấy khô ở nhiệt độ 1050C ± 50C, bảo quản tránh ẩm môi trường.

Đá vôi lấy tại kho, khối lượng 2 kg, kẹp hàm giảm kích thước ≤ 2mm, sấy

khô ở nhiệt độ 1050C ± 50C, bảo quản tránh ẩm môi trường.

Tro bay Duyên Hải, khối lượng 2 kg, sấy khô ở nhiệt độ 1050C ± 50C, bảo

quản tránh ẩm môi trường.

Thạch cao Thái Lan lấy tại kho, khối lượng 1 kg, kẹp hàm giảm kích thước

≤ 1mm, sấy khô ở nhiệt độ 450C ± 30C, bảo quản tránh ẩm môi trường.

Định lượng nguyên vật liệu theo cấp phối mẫu, mỗi cấp phối có khối lượng

HVTH: Trần Thanh Tùng

43

5 kg, cho lần lượt từng mẫu vào máy nghiền bi phòng Lab. Gia giảm thời gian nghiền sao cho đảm bảo mẫu xi măng thu được có độ mịn 4000 ± 100 cm2/g.

Luận văn Thạc sĩ CBHD: PGS. TS. Huỳnh Đức Minh

Mẫu xi măng nghiền đạt yêu cầu về độ mịn cho vào lọ nhựa có nắp đặp kín

để bảo quản tạm thời trước khi tiến hành các thí nghiệm tiếp theo.

2.3.2. Xác định độ dẻo tiêu chuẩn của hồ xi măng

Xác định độ dẻo của vữa xi măng theo TCVN 6017 : 2015 (ISO 9597 :

2008)

Nguyên tắc: Hồ xi măng đạt độ dẻo tiêu chuẩn có sức cản nhất định đối với

sự lún của kim tiêu chuẩn. Lượng nước cần thiết để hồ xi măng đạt độ dẻo tiêu

chuẩn được xác định bằng cách thử độ lún của kim vào các hồ xi măng có hàm

lượng nước khác nhau.

Phương pháp tiến hành

+ Thiết bị, dụng cụ

Dùng dụng cụ Vicat bằng tay nêu trong Hình 1 a) và 1 b) với kim to nêu

trong Hình 1 c). Kim to được làm bằng kim loại không bị ăn mòn, với cấu trúc dạng

trụ thẳng, chiều dài hữu ích tối thiểu là 45 mm và đường kính là (10,00 ± 0,05) mm.

Tổng khối lượng của bộ phận chuyển động là (300 ± 1) g. Chuyển động của bộ

phận này phải thật thẳng đứng, ma sát không đáng kể, và trục của bộ phận chuyển

động phải trùng với trục kim to.

Khuôn Vicat [xem Hình 1 a)] để chứa hồ được làm bằng cao su rắn, nhựa

cứng hoặc đồng thau. Khuôn có dạng hình trụ tròn hoặc hình nón cụt (tốt nhất là

hình nón cụt), sâu (40,0 ± 0,2) mm, đường kính trong là (75 ± 10) mm. Khuôn phải

đủ cứng. Kèm theo khuôn là một tấm đế phẳng có kích thước lớn hơn kích thước

của khuôn và dày ít nhất 2,5 mm, cấu tạo bằng vật liệu không thấm hút, có khả năng

chịu được sự ăn mòn của hồ xi măng, ví dụ như tấm thủy tinh phẳng.

Có thể sử dụng khuôn làm bằng kim loại khác, nhưng phải đảm bảo chiều

sâu và việc sử dụng khuôn này phải được hiệu chuẩn so với khuôn tiêu chuẩn.

Phòng thử nghiệm nên sử dụng các tấm đế phẳng có chiều dày bằng nhau

để chỉ cần chỉnh thang chia vạch của dụng cụ Vicat một lần cho nhiều lần thử

HVTH: Trần Thanh Tùng

44

nghiệm.

Luận văn Thạc sĩ CBHD: PGS. TS. Huỳnh Đức Minh

Kích thước tính bằng milimét

a) Hình chiếu của dụng cụ b) Hình chiếu của dụng cụ

Vicat và khuôn khi xác định thời gian Vicat và khuôn khi xác định thời gian

bắt đầu đông kết kết thúc đông kết

c) Kim to thử độ d) Kim thử bắt e) Kim thử kết

dẻo tiêu chuẩn đầu thúc

HVTH: Trần Thanh Tùng

45

đông kết đông kết

Luận văn Thạc sĩ CBHD: PGS. TS. Huỳnh Đức Minh

1

Khuôn

Khay ngâm mẫu

7

Lỗ thông khí

4

2

Khối lượng điều chỉnh

Nước

5

3

Tấm đế

Lỗ thông khí (Ø -1,5)

6

a Kim thử có lắp vòng nhỏ để xác định thời gian kết thúc đông kết nhìn từ

CHÚ DẪN:

phía dưới.

CHÚ THÍCH: Nếu kim to, kim nhỏ và kim có gắn vòng đều có cùng khối

lượng, ví dụ (9,0 ± 0,5) g thì chỉ cần một khối lượng điều chỉnh là đủ cho mỗi dụng

cụ Vicat.

Dụng cụ Vicat bằng tay điển hình để xác định độ dẻo tiêu chuẩn và thời

gian đông kết

+ Cách tiến hành

i. Trộn hồ xi măng

Cân 500 g xi măng và một lượng nước (ví dụ 125 g), chính xác đến ± 1 g,

bằng cân (4.2.2). Nếu dùng ống đong có vạch chia hoặc buret (4.2.3) để đong lượng

nước thì đong chính xác đến ± 1mL. Hồ được trộn bằng máy trộn (4.2.4). Thời gian

của các giai đoạn trộn khác nhau bao gồm cả thời gian tắt/bật công tắc máy trộn và

chính xác trong phạm vi ± 2 s.

Quy trình trộn được tiến hành như sau:

a) Máy trộn ở trạng thái sẵn sàng hoạt động. Đổ nước vào cối trộn và cho xi

măng vào một cách cẩn thận để tránh thất thoát nước hoặc xi măng; hoàn thành quá

trình đổ trong vòng 10 s;

b) Ngay lập tức bật máy trộn ở tốc độ thấp, cùng lúc đó bắt đầu tính thời

gian của các giai đoạn trộn. Đồng thời, ghi lại thời điểm, lấy đến phút gần nhất, làm

thời điểm “không”;

HVTH: Trần Thanh Tùng

46

CHÚ THÍCH: Thời điểm "không” là mốc để tính thời gian bắt đầu đông kết

Luận văn Thạc sĩ CBHD: PGS. TS. Huỳnh Đức Minh

(xem 6.2) và thời gian kết thúc đông kết (xem 6.3).

c) Sau 90 s trộn, dừng máy trộn 30 s. Trong thời gian này, dùng bay cao su

hoặc nhựa phù hợp vét toàn bộ phần hồ bám ở thành và đáy cối trộn đưa vào vùng

giữa cối trộn;

đ) Bật lại máy trộn và chạy ở tốc độ thấp thêm 90 s nữa. Tổng thời gian

chạy máy trộn là 3 min.

Có thể sử dụng phương pháp trộn khác, nhưng phương pháp đó phải được

hiệu chuẩn so với phương pháp chuẩn này.

ii. Điền đầy hồ vào khuôn

Đổ ngay hồ vào khuôn đã đặt trên tấm đế phẳng. Khuôn và tấm đế đều đã

được bôi một lớp dầu mỏng. Đổ hồ đầy hơn khuôn mà không nén hay rung quá

mạnh. Loại bỏ khoảng trống trong hồ bằng cách vỗ nhẹ vào thành khuôn. Dùng

dụng cụ có cạnh thẳng gạt phần hồ thừa theo kiểu chuyển động cưa nhẹ nhàng, sao

cho hồ đầy ngang mặt khuôn và bề mặt phải phẳng trơn.

CHÚ THÍCH: Một số loại dầu có thể ảnh hưởng tới kết quả thử nghiệm

thời gian đông kết; các loại dầu gốc khoáng được coi là phù hợp cho thử nghiệm

này.

iii. Xác định độ dẻo tiêu chuẩn

Trước khi thử, gắn kim to [Hình 1 c)] vào dụng cụ Vicat bằng tay, hạ từ từ

kim to cho chạm tấm đế và chỉnh kim chỉ về số "0" trên thang chia vạch. Nhấc kim

to lên vị trí chuẩn bị vận hành. Ngay sau khi gạt phẳng mặt hồ, chuyển khuôn và

tấm đế sang dụng cụ Vicat tại vị trí đúng tâm dưới kim to. Hạ kim to từ từ cho đến

khi nó tiếp xúc với mặt hồ. Giữ ở vị trí này từ 1 s đến 2 s để tránh vận tốc ban đầu

hoặc gia tốc cưỡng bức của bộ phận chuyển động. Sau đó thả nhanh bộ phận chuyển

động để kim to lún thẳng đứng vào trung tâm hồ. Thời điểm thả kim to cách thời

điểm "không" 4 min ± 10 s. Đọc số trên thang chia vạch sau khi kim to ngừng lún ít

HVTH: Trần Thanh Tùng

47

nhất 5 s, hoặc đọc tại thời điểm 30 s sau khi thả kim, tùy theo việc nào xảy ra sớm

Luận văn Thạc sĩ CBHD: PGS. TS. Huỳnh Đức Minh

hơn.

Ghi lại trị số vừa đọc trên thang chia vạch, trị số đó biểu thị khoảng cách

giữa đầu kim to với tấm đế. Đồng thời ghi lại lượng nước của hồ, tính theo phần

trăm khối lượng xi măng. Lau sạch kim to ngay sau mỗi lần thử lún.

Lặp lại phép thử với các hồ có lượng nước khác nhau cho tới khi thu được

khoảng cách giữa đầu kim to với tấm đế là (6 ± 2) mm. Ghi lại hàm lượng nước của

hồ này, lấy chính xác đến 0,5 % và coi đó là lượng nước cho độ dẻo tiêu chuẩn.

2.3.3. Xác định thời gian đông kết

Xác định thời gian bắt đầu đông kết của hồ xi măng theo TCVN 6017 :

2015 (ISO 9597 : 2008)

Nguyên tắc: Hồ xi măng đạt độ dẻo tiêu chuẩn có sức cản nhất định đối với

sự lún của kim tiêu chuẩn. Xác định thời gian bắt đầu đông kết và kết thúc đông kết

bằng cách quan sát độ lún của kim tiêu chuẩn vào hồ xi măng có độ dẻo tiêu chuẩn,

cho đến khi nó đạt giá trị qui định.

Cách tiến hành

a) Xác định thời gian bắt đầu đông kết

i. Cách tiến hành

Đổ đầy hồ có độ dẻo tiêu chuẩn đã trộn theo 5.2.1 vào khuôn Vicat (5.1)

theo 5.2.2.

Đặt khuôn đã có hồ và tấm đế vào khay ngâm mẫu (6.1.2), thêm nước vào

khay sao cho bề mặt của hồ bị ngập sâu trong nước ít nhất 5 mm. Bảo dưỡng trong

bể nước hoặc phòng kín có nhiệt độ được kiểm soát trong dải (27 ± 2) °C (6.1.3).

Sau thời gian thích hợp, chuyển khuôn, tấm đế và khay ngâm mẫu sang dụng cụ

Vicat, ở vị trí dưới kim. Hạ kim từ từ cho tới khi chạm vào bề mặt hồ. Giữ nguyên

vị trí này trong vòng 1 s đến 2 s để tránh vận tốc ban đầu hoặc gia tốc cưỡng bức

HVTH: Trần Thanh Tùng

48

của bộ phận chuyển động. Sau đó thả nhanh bộ phận chuyển động và để kim lún

Luận văn Thạc sĩ CBHD: PGS. TS. Huỳnh Đức Minh

thẳng sâu vào trong hồ. Đọc thang chia vạch khi kim ngừng lún, hoặc đọc vào thời

điểm 30 s sau khi thả kim, tùy theo việc nào xảy ra sớm hơn.

Ghi lại trị số vừa đọc trên thang chia vạch, trị số này biểu thị khoảng cách

giữa đầu kim và mặt trên tấm đế. Đồng thời ghi lại thời gian tính từ thời điểm

"không" (xem 5.2.1). Lặp lại phép thử lún tại các vị trí khác trên bề mặt mẫu thử đó,

sao cho các vị trí thử cách nhau ít nhất 5 mm nhưng phải cách vị trí thử ngay trước

đó ít nhất 10 mm và cách thành khuôn ít nhất 8 mm. Thử nghiệm được lặp lại sau

những khoảng thời gian thích hợp, ví dụ cách nhau 10 min. Trong khoảng thời gian

giữa các lần thả kim, mẫu được giữ nguyên trong khay nước (6.1.2) ở trong bể nước

hoặc phòng kín (6.1.3). Lau sạch kim Vicat ngay sau mỗi lần thả kim. Giữ lại mẫu

nếu còn tiếp tục xác định thời gian kết thúc đông kết.

CHÚ THÍCH: Thời gian bắt đầu đông kết của mẫu xi măng chính là khoảng

thời gian tính từ thời điểm “không” (xem 5.2.1) đến thời điểm khoảng cách giữa

đầu kim về mặt trên tấm đế đạt (6 ± 3) mm, lấy đến phút gần nhất.

ii. Báo cáo thử nghiệm

Báo cáo khoảng thời gian trôi qua kể từ thời điểm “không” đến thời điểm

khoảng cách giữa đầu kim và mặt trên tấm đế đạt (6 ± 3) mm là thời gian bắt đầu

đông kết của mẫu xi măng, lấy chính xác đến 5 min.

CHÚ THÍCH: Để tăng độ chính xác cho kết quả thử nghiệm thì nên giảm

bớt khoảng cách thời gian giữa các lần thử lún gần thời điểm đông kết.

b) Xác định thời gian kết thúc đông kết

i. Cách tiến hành

Lật úp khuôn đã sử dụng ở 6.2 lên trên tấm đế của nó, sao cho việc thử kết

thúc đông kết được tiến hành ngay trên mặt lúc đầu đã tiếp xúc tấm đế. Đặt khuôn

và tấm đế trở lại khay ngâm mẫu (6.1.2) và bảo dưỡng trong bể nước hoặc phòng

kín (27 ± 2) °C (6.1.3). Sau thời gian thích hợp, chuyển khuôn, tấm đế và khay

HVTH: Trần Thanh Tùng

49

ngâm mẫu sang dụng cụ Vicat, ở vị trí dưới kim. Hạ kim từ từ cho tới khi đầu kim

Luận văn Thạc sĩ CBHD: PGS. TS. Huỳnh Đức Minh

chạm vào bề mặt hồ. Giữ nguyên vị trí này trong vòng 1 s đến 2 s để tránh vận tốc

ban đầu hoặc gia tốc cưỡng bức của bộ phận chuyển động. Sau đó thả nhanh bộ

phận chuyển động và để kim lún sâu vào trong hồ. Đọc thang chia vạch khi kim

ngừng lún, hoặc đọc vào thời điểm 30 s sau khi thả kim, tùy theo việc nào xảy ra

sớm hơn.

Lặp lại phép thử lún tại các vị trí khác trên bề mặt mẫu thử đó, sao cho các

vị trí thử cách nhau ít nhất 5 mm nhưng phải cách vị trí thử ngay trước đó ít nhất 10

mm và cách thành khuôn ít nhất 8 mm. Thử nghiệm được lặp lại sau những khoảng

thời gian thích hợp, ví dụ cách nhau 30 min. Trong khoảng thời gian giữa các lần

thả kim, mẫu được giữ nguyên trong khay nước (6.1.2) ở trong bể nước hoặc phòng

kín (6.1.3). Lau sạch kim Vicat ngay sau mỗi lần thả kim.

Ghi lại thời điểm kim chỉ lún vào bề mặt mẫu 0,5 mm lần đầu tiên. Thời

điểm đó cũng chính là thời điểm mà vòng gắn trên kim lần đầu tiên không còn ghi

dấu trên bề mặt mẫu. Thời điểm này có thể xác định một cách chính xác bằng cách

giảm thời gian giữa các lần thử lún gần đến điềm kết thúc đông kết. Điểm kết thúc

đông kết sẽ được xác nhận bằng cách lặp lại quy trình thử lún như trên tại hai vị trí

khác nữa trên bề mặt mẫu.

ii. Báo cáo thử nghiệm

Báo cáo khoảng thời gian trôi qua kể từ thời điểm “không” đến thời điểm

kim chỉ lún vào bề mặt mẫu 0,5 mm lần đầu tiên là thời gian kết thúc đông kết của

mẫu xi măng, lấy chính xác đến 15 min.

2.3.4. Xác định cường độ kháng nén

Xác định cường độ kháng nén của vữa xi măng theo TCVN 6016 : 2011

Nguyên tắc: phương pháp bao gồm cách xác định cường độ nén, cường độ

uốn (khi có yêu cầu) của các mẫu thử hình lăng trụ có kích thước 40x40x160cm.

Các mẫu thử này được đúc từ một mẻ vữa dẻo chứa một phần xi măng, ba

HVTH: Trần Thanh Tùng

50

phần cát tiêu chuẩn ISO và một nửa phần nước (tỉ lệ nước/xi măng là 0,5) tính theo

Luận văn Thạc sĩ CBHD: PGS. TS. Huỳnh Đức Minh

khối lượng. Cát tiêu chuẩn ISO từ các nguồn và các nước khác nhau có thể được sử

dụng với điều kiện kết quả cường độ xi măng khi sử dụng cát đó không sai khác

đáng kể so với cát tiêu chuẩn ISO. Trong qui trình chuẩn, vữa được trộn bằng máy

và lèn chặt trong khuôn nhờ sử dụng thiết bị dằn. Các mẫu thử được bảo dưỡng

trong khuôn ở không khí ẩm 24 giờ, sau đó được tháo khuôn rồi ngâm ngập trong

nước cho đến tuổi thử cường độ.

Đến tuổi thử yêu cầu, các mẫu thử được vớt ra khỏi nơi bảo dưỡng, bẻ gãy

đôi bằng lực uốn, xác định cường độ uốn nếu có yêu cầu, hoặc bẻ gãy đôi bằng biện

pháp thích hợp khác mà không gây ứng suất có hại cho các nữa lăng trụ và mỗi nữa

gãy dùng để thử cường độ nén.

2.3.5. Xác định độ mịn

Xác định độ mịn của xi măng theo TCVN 4030 : 2003

+ Phương pháp sàng:

Nguyên tắc: độ mịn của xi măng được xác định theo phương pháp sàng xi

măng bằng sàng tiêu chuẩn. Độ mịn là tỉ lệ phần trăm của lượng xi măng còn lại

trên sàng so với lượng xi măng đem sàng. Dùng vật liệu chuẩn đã biết trước phần

còn lại trên sàng để kiểm tra. Sàng thí nghiệm là loại sàng có kích thước lỗ 90μm,

phù hợp với các yêu cầu trong bảng 1 của ISO 565 - 1983 và ISO 3310/1.

+ Phương pháp thấm không khí (phương pháp Blaine)

Nguyên tắc: Độ mịn của xi măng được tính theo bề mặt riêng bằng cách xác

định thời gian cần thiết để một lượng không khí nhất định thấm qua một lớp xi

măng lèn, có kích thước và độ xốp xác định.

Trong điều kiện tiêu chuẩn, bề mặt riêng của xi măng tỉ lệ thuận với ,

trong đó t là thời gian cần thiết để một lượng không khí thấm qua lớp mẫu xi măng

lèn.

HVTH: Trần Thanh Tùng

51

Phương pháp này có tính so sánh, vì vậy cần phải có một mẫu chuẩn đã biết

Luận văn Thạc sĩ CBHD: PGS. TS. Huỳnh Đức Minh

trước bề mặt riêng để hiệu chuẩn thiết bị. Phép thử thấm không khí được tiến hành trong phòng thí nghiệm có nhiệt độ ổn định 27oC ±2oC, độ ẩm tương đối không lớn

hơn 70%. Vật liệu để thử và hiệu chuẩn được bảo quản ở nhiệt độ phòng thí nghiệm

HVTH: Trần Thanh Tùng

52

và tránh sự hấp thụ độ ẩm của môi trường.

Luận văn Thạc sĩ CBHD: PGS. TS. Huỳnh Đức Minh

Chƣơng 3. KẾT QUẢ THÍ NGHIỆM VÀ THẢO LUẬN

3.1. Kết quả khảo sát các tính chất của tro bay Duyên Hải

3.1.1. Hình dạng và cấu trúc hạt tro bay

Các hạt tro bay Duyên Hải có hình cầu hoặc giả cầu, có kích thước lớn nhỏ

khác nhau, được mô tả cụ thể như trong ảnh chụp SEM hình 11. Cấu trúc hạt tro

bay có nhiều lỗ xốp, rỗng. Hạt tro bay có đặc tính này là do khi than được nghiền

mịn phun vào buồng đốt, các thành phần cháy tham gia vào phản ứng cháy sinh

nhiệt, các thành phần không cháy được bị đốt nóng dưới nhiệt độ cao chảy lỏng bay

lơ lửng trong dòng khí. Sau đó chúng được làm nguội nhanh bởi không khí nên hình

thành pha vô định hình, khi làm nguội trong trạng thái bay lơ lửng, thành phần nóng

chảy co lại thành hình cầu, và có thể ngậm khí bên trong thành hình cầu rỗng. Pha

vô định hình trong hạt tro bay chính là thành tố tạo nên hoạt tính puzolanic của tro

bay.

Hình 11: Ảnh chụp SEM hạt tro bay

3.1.2. Thành phần cỡ hạt của tro bay

HVTH: Trần Thanh Tùng

53

Kết quả phân tích cỡ hạt bằng phương pháp tán xạ laser.

Luận văn Thạc sĩ CBHD: PGS. TS. Huỳnh Đức Minh

Hình 12: Phân bố dải cỡ hạt tro bay Duyên Hải

Từ các số liệu phân bố dải cỡ hạt như trong hình 12, có thể tổng hợp phần

trăm các kích thước hạt như trong bảng 16.

Đường

Lượng

Lọt qua

Đường

Lượng

Lọt qua

Stt

Stt

kính, (µm)

(%)

sàng, (%)

kính, (µm)

(%)

sàng, (%)

1.981

0.000

0.000

19.904

5.467

50.504

18

1

2.269

0.115

0.115

22.797

5.028

55.532

19

2

2.599

0.162

0.277

26.111

4.756

60.288

20

3

2.976

0.232

0.509

29.907

4.679

64.967

21

4

3.409

0.344

0.853

34.255

4.766

69.733

22

5

3.905

0.520

1.373

39.234

4.944

74.677

23

6

4.472

0.795

2.168

44.938

5.056

79.733

24

7

5.122

1.204

3.372

51.471

4.909

84.642

25

8

5.867

1.778

5.150

58.953

4.436

89.078

26

9

27

10

6.720

2.519

7.669

67.523

3.675

92.753

HVTH: Trần Thanh Tùng

54

Bảng 16: Dải cỡ hạt của tro bay Duyên Hải

Luận văn Thạc sĩ CBHD: PGS. TS. Huỳnh Đức Minh

Đường

Lượng

Lọt qua

Đường

Lượng

Lọt qua

Stt

Stt

kính, (µm)

(%)

sàng, (%)

kính, (µm)

(%)

sàng, (%)

28

7.697

3.385

11.054

77.339

2.861

95.614

11

29

8.816

4.284

15.338

88.583

2.017

97.631

12

10.097

5.148

20.486

30

101.460

1.247

98.878

13

11.565

5.934

26.420

31

116.210

0.661

99.539

14

13.246

6.342

32.762

32

133.103

0.320

99.859

15

15.172

6.316

39.078

33

152.453

0.141

100.000

16

17.377

5.959

45.037

34

17

Số liệu từ đồ thị và bảng số liệu tổng hợp cho thấy cỡ hạt trung bình của tro

bay Duyên Hải là 28,136μm, dải cở hạt phân bố từ 2,269μm đến 152,453μm, cỡ hạt

nhỏ hơn 45μm chiếm 79,733%. Có thể thấy rằng với cấp cỡ hạt tương đương và nhỏ

hơn hạt xi măng chiếm đa số, đồng thời phần lớn hạt có dạng hình cầu hoặc giả cầu

nên khi đưa tro bay vào xi măng sẽ làm tăng tính lưu biến của vữa xi măng hoặc bê

tông. Hiện tượng này được giải thích là do các hạt tro bay hình cầu, nhỏ có thể len

lõi điền vào khoảng trống giữa các hạt cốt liệu, các hạt tro bay đóng vai trò như

những ổ bi giúp các hạt cốt liệu tăng khả năng trơn trượt lên nhau, dẫn đến làm tăng

tính lưu biến của hệ.

Khả năng làm tăng tính lưu biến này sẽ giúp làm giảm lượng nước cần dùng

cho vữa/bê tông và như vậy sẽ tăng độ đặc chắc của đá xi măng/bê tông tức là tăng

cường độ cơ học, tăng khả năng chống thấm.

3.1.3. Thành phần khoáng, hóa của tro bay Duyên Hải

Kết quả phân tích thành phần hóa học của tro bay Duyên Hải theo TCVN

141 : 2008 như trong bảng 17. Ngoài ra, để thuận tiện cho việc khảo sát và so sánh

đặc tính của tro bay Duyên Hải với phụ gia puzolan Bình Phước (đang sử dụng

HVTH: Trần Thanh Tùng

55

trong cấp phối nghiền PCB40 FiCO), đề tài cũng tiến hành phân tích thành phần

Luận văn Thạc sĩ CBHD: PGS. TS. Huỳnh Đức Minh

hóa học của puzolan Bình Phước và tổng hợp kết quả như trong bảng 17:

Bảng 17: Thành phần hóa học tro bay Duyên Hải và puzolan Bình Phước

MKN CKT SO3 Nguyên liệu

% % %

Tb DH 6.04 77.31 0.32

Pu BP 3.46 58.76 0.13

Nguyên CaO MgO SiO2 Al2O3 Fe2O3 CaOtd

liệu % % % % % %

Tb DH 54.23 21.10 7.44 3.90 2.32 0.17

Pu BP 48.27 14.81 12.19 7.36 8.49 -

Thành phần khoáng của tro bay Duyên Hải (và cả puzolan Bình Phước dùng

để so sánh) được khảo sát thông qua phương pháp phân tích XRD, kết quả như

HVTH: Trần Thanh Tùng

56

trong các giản đồ hình 13, hình 14 và bảng tổng hợp số liệu (bảng 18).

Luận văn Thạc sĩ

CBHD: PGS. TS. Huỳnh Đức Minh

Tro bay Duyên Hải

HVTH: Trần Thanh Tùng

Hình 13: Các peak khoáng chất trong tro bay

57

Luận văn Thạc sĩ

CBHD: PGS. TS. Huỳnh Đức Minh

Puzoland Bình Phước

HVTH: Trần Thanh Tùng

Hình 14: Các peak khoáng chất trong puzoland

58

Luận văn Thạc sĩ

CBHD: PGS. TS. Huỳnh Đức Minh

Bảng 18: Thành phần khoáng tro bay Duyên Hải

RESULT XRD ANALYSIS FOR WHOLE ROCK

Amount in Semi-quantitative term

Kali Fe-

Plagio-

Mica/-

Hema-

Mgan-

Dolo-

Vari-

Sample Quart

Clays

ldspar

clase

Clays

tite

etite

mite

scite

Puzoland

4,50

11,4

27,4

0,0

0,0

47,1

6,7

0,0

2,9

Trobay

51,2

0,0

0,0

14,9

12,5

2,0

0,0

19,3

0,0

Nhận xét:

Từ kết quả phân tích thành phần hóa học và thành phần khoáng của tro bay

Duyên Hải và puzoland Bình Phước ta thấy rằng thành phần SiO2, Al2O3 hoạt tính

trong tro bay cao hơn puzolan.

Pha thủy tinh trong thành phần của tro bay cao hơn nhiều so với puzolan

hay có thể nói thành phần hoạt tính trong tro bay cao hơn puzolan.

Trong tro bay không có thành phần kali feldspar, trong puzolan có khá

nhiều 11,4%. Đây là thành phần có hại cho xi măng, kali có thể tham gia vào phản

ứng kiềm – cốt liệu gây hư hỏng cấu kiện bê tông về sau.

3.1.4. Hoạt tính puzolan của tro bay Duyên Hải

Hoạt tính puzolan của tro bay Duyên Hải được đánh giá thông qua việc

khảo sát chỉ số hoạt tính cường độ với xi măng và khảo sát độ hút vôi. Kết quả khảo

sát được trình bày trong bảng 19 và bảng 20. Bên cạnh đó, cũng tương tự như các

phương pháp phân tích trên, hoạt tính của puzolan Bình Phước cũng được đề tài

HVTH: Trần Thanh Tùng

khảo sát đồng thời để có dữ liệu so sánh.

59

Luận văn Thạc sĩ

CBHD: PGS. TS. Huỳnh Đức Minh

Bảng 19: Chỉ số hoạt tính cường độ với xi măng của tro bay Duyên Hải

Cấp phối (%) C. độ nén (MPa) Hoạt tính (%) Mẫu

Clinker T. cao Puzolan Tro bay 7 ngày 28 ngày 7 ngày 28 ngày

OPC 96 4 0 42,2 55,2 100 100 0

HT1 0 80 20 33.7 51,4 79,7 93,2

HT2 80 20 0 29.8 41,7 70,6 75,5

Trong đó: Mẫu HT1 gồm 80% OPC + 20% Tro bay

Mẫu HT2 gồm 80% OPC + 20% Puzolan đã nghiền mịn

Tro bay Duyên Hải

Puzolan Bình Phước

Lần chuẩn

VHCl dùng để chuẩn (ml)

Lượng CaO sau khi thêm (mg)

Lượng CaO hấp thụ được (mg)

VHCl dùng để chuẩn (ml)

Lượng CaO sau khi thêm (mg)

Lượng CaO hấp thụ được (mg)

55,02

5,88

12,5

46,48

22,96

18,6

1

54,03

4,93

14,2

48,85

6,75

17,9

2

52,95

6,09

15,5

50,69

5,42

17,1

3

52,18

6,55

16,3

51,83

5,00

16,6

4

50,54

9,06

16,9

52,63

4,54

15,4

5

49,56

9,38

18,0

54,18

2,23

14,7

6

48,02

11,48

18,6

54,99

2,16

13,6

7

46,06

13,86

19,2

55,87

1,20

12,2

8

44,52

14,98

18,7

55,15

3,54

11,1

9

43,96

14,56

19,1

55,73

1,64

10,7

10

44,80

12,32

19,3

56,03

1,64

11,3

11

45,50

11,76

19,6

56,36

1,26

11,8

12

HVTH: Trần Thanh Tùng

Bảng 20: Độ hút vôi của tro bay Duyên Hải

60

Luận văn Thạc sĩ

CBHD: PGS. TS. Huỳnh Đức Minh

Tro bay Duyên Hải

Puzolan Bình Phước

Lần chuẩn

VHCl dùng để chuẩn (ml)

Lượng CaO sau khi thêm (mg)

Lượng CaO hấp thụ được (mg)

VHCl dùng để chuẩn (ml)

Lượng CaO sau khi thêm (mg)

Lượng CaO hấp thụ được (mg)

13

12,2

46,06

11,34

19,8

56,71

0,90

14

12,9

47,04

9,94

19,9

56,88

0,91

15

13,9

48,44

8,12

20,0

56,95

0,94

Tổng lượng vôi hút được

150,25

61,07

Nhận xét:

Từ kết quả đo độ hút vôi của tro bay ta thấy so với puzolan, tro bay hút

được nhiều vôi hơn. Căn cứ vào bảng 14 phân loại hoạt tính theo độ hút vôi thì tro

bay thuộc nhóm hoạt tính rất mạnh, còn puzolan chỉ được liệt vào nhóm có độ hoạt

tính trung bình yếu.

Cả tro bay và puzolan đều thuộc loại phụ gia khoáng hoạt tính puzolanic,

mà hoạt tính của tro bay cao hơn puzolan, do vậy khi dùng tro bay thay thế puzolan

trong sản xuất xi măng sẽ làm tăng cường độ cơ học của xi măng.

Tuy nhiên, ở lần chuẩn thứ 6 tổng lượng mgCaO puzolan hút được (46,89

mgCaO) cao hơn so với tro bay cũng ở lần chuẩn này (41,89 mgCaO). Tới lần

chuẩn thứ 7 tức là tương đương sau 14 ngày đêm lượng vôi tro bay hút được mới

bắt đầu cao hơn puzolan. Điều này cho thấy mặc dù tro bay thuộc loại hoạt tính rất

mạnh nhưng ở tuổi sớm độ hoạt tính của tro bay không bằng puzolan.

3.1.5. Nghiên cứu ảnh hưởng của quá trình nghiền đến độ hoạt tính của tro

bay

Trên cơ sở mục đích nghiên cứu sử dụng tro bay với vai trò làm phụ gia

khoáng hoạt tính, đề tài đã tiến hành nghiên cứu ảnh hưởng của quá trình nghiền

đến độ hoạt tính thông qua phương pháp đo độ dẫn điện của dung dịch vôi bão hòa

HVTH: Trần Thanh Tùng

được pha với các loại tro bay không nghiền và nghiền với thời gian khác nhau.

61

Luận văn Thạc sĩ

CBHD: PGS. TS. Huỳnh Đức Minh

Nguyên lý của phương pháp đo này như sau: Khi đưa tro bay vào dung dịch

vôi bão hòa thì độ dẫn điện của dung dịch vôi bão hòa sẽ giảm xuống đến một mức

độ nhất định tùy thuộc vào độ hoạt tính của tro bay. Luxán [25] giải thích hiện

tượng này là do phản ứng của SiO2 hoạt tính, Al2O3 trong thành phần của tro bay với Ca(OH)2 tạo ra các chất mới là C-S-H, C-A-H làm suy giảm nồng độ Ca2+ trong dung dịch nước vôi, vì vậy độ dẫn điện của dung dịch bị giảm xuống. Như vậy tro

bay có độ hoạt tính càng cao thì độ dẫn diện của dung dịch càng giảm mạnh.

Để thực hiện nghiên cứu này, tro bay được nghiền trong máy nghiền bi của

phòng thí nghiệm, trong khoảng thời gian lần lượt là 5 phút, 10 phút. Các mẫu sau

nghiền được xác định độ mịn rồi đem pha vào dung dịch vôi bão hòa với cùng một lượng như nhau, sau đó đưa vào tủ sấy nâng nhiệt độ lên 400C và khuấy đều trong 2

phút. Tiến hành đo độ dẫn điện của dung dịch để xác định độ hoạt tính. Kết quả đo

độ dẫn điện của các dung dịch vôi bão hòa có sử dụng tro bay không nghiền và tro

bay được nghiền được tổng hợp trong bảng 21 và đồ thị hình15.

Bảng 21: Độ dẫn điện của các dung dịch với loại tro bay khác nhau

Đại lượng Đơn vị Ca(OH)2 Tro bay chưa nghiền Tro bay nghiền 5 phút Tro bay nghiền 10 phút

Độ mịn cm2/g - 2.540 5.500 8.890

Độ dẫn điện mS/cm 6,424 6,171 5,748 5,680

HVTH: Trần Thanh Tùng

mS/cm 0,000 0,253 0,676 0,745 Chênh lệch ĐDĐ so với Ca(OH)2

62

Luận văn Thạc sĩ

CBHD: PGS. TS. Huỳnh Đức Minh

Δσ (mS/cm)

σ (mS/cm)

Hình 15: Chênh lệch độ dẫn điện của dung dịch với loại tro bay khác nhau

Số liệu từ bảng 21 và đồ thị hình 15 cho thấy, sau một thời gian phản ứng

như nhau thì độ dẫn điện của dung dịch chứa tro bay được nghiền càng mịn càng

giảm đi, chứng tỏ lượng Ca(OH)2 bị tham gia phản ứng càng lớn. Việc này có thể lý

giải rằng độ mịn của tro bay càng tăng thì diện tích bề mặt tiếp xúc giữa SiO2 hoạt

tính và Al2O3 hoạt tính trong tro bay với Ca(OH)2 của dung dịch càng lớn, dẫn đến

lượng Ca(OH)2 tham gia phản ứng càng nhiều hơn nên độ dẫn điện giảm mạnh hơn.

Qua nghiên cứu này có thể thấy rằng tro bay được nghiền mịn có độ hoạt

tính cao hơn tro bay không nghiền và độ mịn của tro bay càng cao thì độ hoạt tính

của nó càng lớn.

Như vậy, trong thực tế ứng dụng, việc đưa tro bay vào nghiền cùng với

clinker và các nguyên liệu khác để sản xuất xi măng sẽ làm tăng mức độ hoạt tính

của tro bay.

* Kết luận chung sau khi khảo sát các tính chất của tro bay Duyên Hải và so

sánh với puzolan Bình Phƣớc:

Tro bay Duyên Hải là một loại nguyên liệu mịn, có hoạt tính puzolan khá

cao, thành phần tạp có hại cho xi măng nhỏ, hoàn toàn đáp ứng các tiêu chuẩn về

HVTH: Trần Thanh Tùng

phụ gia hoạt tính dùng trong sản xuất xi măng.

63

Luận văn Thạc sĩ

CBHD: PGS. TS. Huỳnh Đức Minh

Hoạt tính puzolanic của tro bay Duyên Hải cao hơn puzolan Bình Phước

nên việc ứng dụng nó thay thế cho puzolan Bình Phước và thậm chí cho cả clinker

có tính khả thi cao.

Độ hoạt tính puzolanic của tro bay nghiền mịn là cao hơn so với tro bay

không nghiền nên việc đưa tro bay vào nghiền cùng phối liệu xi măng sẽ nâng cao

mức độ hoạt tính của tro bay lên.

3.2. Ảnh hƣởng của tro bay Duyên Hải đến các tính chất của xi măng PCB40 FiCO khi sử dụng nó thay thế cho puzolan Bình Phƣớc

Để khảo sát ảnh hưởng của tro bay Duyên Hải đến các tính chất cơ lý của xi

măng PCB40 FiCO khi dùng nó thay cho puzolan Bình Phước, đề tài đã tiến hành

thực nghiệm trên 2 mẫu song song là Pu7.5 (cấp phối nguyên liệu theo thực tế sản

xuất) và Tb7.5 (toàn bộ lượng puzolan Bình Phước được thay thế bằng tro bay

Duyên Hải trong cấp phối thực tế sản xuất). Các tính chất cơ lý của 2 nhóm mẫu

này được thực hiện trong cùng điều kiện với các kết quả cụ thể như sau:

3.2.1. Ảnh hưởng của tro bay đến lượng nước tiêu chuẩn

Số liệu về lượng nước tiêu chuẩn của các mẫu Pu7.5 và Tb7.5 được tổng

hợp trong bảng 22 và hình 16.

Bảng 22: Sự thay đổi lượng nước tiêu chuẩn khi thay đổi phụ gia hoạt tính

Lƣợng nƣớc Hàm lƣợng Hàm lƣợng Mã hóa tiêu chuẩn (%) tro bay (%) puzolan (%)

Pu7.5 27,6 0,0 7,5

HVTH: Trần Thanh Tùng

Tb7.5 27,3 7,5 0,0

64

Luận văn Thạc sĩ

CBHD: PGS. TS. Huỳnh Đức Minh

Hình 16: Sự thay đổi lượng nước tiêu chuẩn khi thay đổi phụ gia hoạt tính

Nhận xét:

Khi dùng tro bay thay thế cho puzolan trong cấp phối xi măng PCB40 FiCO

(các thành phần clinker, thạch cao, đá vôi, phụ gia trợ nghiền không đổi), thì lượng

nước tiêu chuẩn có xu hướng giảm xuống nhưng không nhiều. Lượng nước tiêu

chuẩn trong mẫu Pu7.5 là 27,6%, giá trị này giảm xuống còn 27,3% đối với mẫu

Tb7.5 (giảm 1,59% khi so sánh với Pu7.5).

Hiện tượng này có thể được giải thích là do các hạt tro bay có dạng nguyên

khai hình cầu, kích thước nhỏ, nhưng trong quá trình nghiền thì một phần hạt tro

bay đã bị phá vỡ hình dạng nguyên khai, chỉ còn một lượng nhất định vẫn giữ

nguyên được cấu trúc hình cầu len lõi vào khoảng giữa các hạt xi măng, đóng vai

trò như những “ổ bi” giúp các hạt xi măng trơn trượt làm tăng tính lưu biến của hệ,

nhờ vậy làm giảm nhẹ lượng nước tiêu chuẩn của xi măng.

3.2.2. Ảnh hưởng của tro bay đến thời gian đông kết

Số liệu về thời gian đông kết của các mẫu Pu7.5 và Tb7.5 được tổng hợp

HVTH: Trần Thanh Tùng

trong bảng 23 và hình 17.

65

Luận văn Thạc sĩ

CBHD: PGS. TS. Huỳnh Đức Minh

Bảng 23: Sự thay đổi thời gian đông kết

Thời gianđông kết (phút) Hàm lƣợng tro Hàm lƣợng Mã hóa bay (%) puzolan (%) Bắt đầu Kết thúc

105 155 0,0 7,5 Pu7.5

130 175 7,5 0,0 Tb7.5

Hình 17: Sự thay đổi thời gian đông kết

Nhận xét:

Khi dùng tro bay thay thế cho puzolan trong cấp phối xi măng PCB40 FiCO

thì thời gian đông kết của hồ xi măng kéo dài thêm. Thời gian đông kết của mẫu

Pu7.5 là 155 phút, giá trị này tăng lên 175 phút đối với mẫu Tb7.5 (tăng 11,43% khi

so sánh với Pu7.5).

Hiện tượng này có thể được giải thích là do các hạt tro bay có cấu trúc xốp

rỗng, khi tiếp xúc với nước trộn chúng có khả năng hút giữ nước bên trong làm cho

lượng nước ban đầu tham gia thủy hóa suy giảm. Sau đó khi lực hút kéo nước của

hạt xi măng đủ lớn thì tro bay sẽ tiết nước giữ trước đó cho quá trình thủy hóa tiếp

tục. Vì vậy, lượng chất kết dính ban đầu giảm làm chậm quá trình bắt đầu đông kết

kéo theo thời gian kết thúc đông kết kéo dài thêm.

HVTH: Trần Thanh Tùng

3.2.3. Ảnh hưởng của tro bay đến độ ổn định thể tích

66

Luận văn Thạc sĩ

CBHD: PGS. TS. Huỳnh Đức Minh

Số liệu về độ ổn định thể tích của các mẫu Pu7.5 và Tb7.5 được tổng hợp

trong bảng 24 và hình 18.

Bảng 24: Sự thay đổi độ ổn định thể tích khi thay đổi phụ gia hoạt tính

Độ ổn định Hàm lƣợng tro bay Hàm lƣợng puzolan Mã hóa thể tích (mm) (%) (%)

0,0 7,5 Pu7.5 0,5

7,5 0,0 Tb7.5 1,0

Hình 18: Sự thay đổi độ ổn định thể tích khi thay đổi phụ gia hoạt tính

Nhận xét: So sánh số liệu về độ ổn định thể tích cho thấy, khi dùng tro bay

Duyên Hải thay thế cho puzolan Bình Phước thì độ ổn định thể tích tăng lên (kém

ổn định thể tích hơn). Độ ổn định thể tích của mẫu Tb7.5 là 1 mm, giá trị này mặc

dù cao hơn so với mẫu Pu7.5 (0,5 mm) nhưng vẫn còn thấp hơn rất nhiều so với tiêu

chuẩn (TCVN 6260 : 2009 cho phép độ ổn định thể tích của xi măng lên đến 10

mm). Vì vậy việc thay thế tro bay Duyên Hải cho puzolan Bình Phước trong cấp

phối xi măng PCB40 FiCO không gây ảnh hưởng nhiều đến độ ổn định thể tích của

xi măng.

3.2.4. Ảnh hưởng của tro bay đến cường độ cơ học

Số liệu về cường độ kháng nén của các mẫu Pu7.5 và Tb7.5 được tổng hợp

HVTH: Trần Thanh Tùng

trong bảng 25 và hình 19.

67

Luận văn Thạc sĩ

CBHD: PGS. TS. Huỳnh Đức Minh

Bảng 25: Cường độ kháng nén các mẫu sử dụng tro bay/puzolan ở các ngày tuổi

Cƣờng độ nén (MPa) Mẫu thử Hàm lượng tro bay (%) Hàm lượng puzolan (%) 1 ngày 3 ngày 7 ngày 28 ngày

Pu7.5 14,3 29,3 36,0 42,6 0,0 7,5

Tb7.5 14,0 28,5 34,8 46,6 7,5 0,0

Hình 19: Cường độ kháng nén của các mẫu sử dụng tro bay/puzolan ở các ngày tuổi

Nhận xét: Khi so sánh cường độ kháng nén của mẫu Pu7.5 và Tb7.5 ở các

ngày tuổi khác nhau có thể thấy rằng:

Ở cường độ 1 ngày tuổi, cường độ kháng nén của hai mẫu thử tương đương

nhau, mẫu Pu7.5 đạt 14,3 MPa và mẫu Tb7.5 đạt 14,0 MPa. Hiện tượng này có thể

được giải thích là theo lý thuyết về quá trình đóng rắn xi măng, khoáng đóng góp

nhiều vào cường độ 1 ngày của đá xi măng là ettringit, mà lượng khoáng ettringit

tạo thành trong giai đoạn này phụ thuộc vào tính chất của clinker và hàm lượng

thạch cao trong xi măng. Do vậy ở tuổi 1 ngày mẫu thử chứa tro bay và mẫu chứa

puzolan có cường độ tương đương nhau vì cùng loại và lượng clinker, thạch cao

như nhau.

Ở cường độ 3 ngày tuổi, mẫu Tb7.5 đạt 28,5 MPa thấp hơn mẫu Pu7.5

(29,3 MPa) 2,73%, có thể giải thích hiện tượng này là do vào thời điểm 3 ngày tuổi

HVTH: Trần Thanh Tùng

hoạt tính của tro bay thấp hơn puzolan thể hiện qua lượng vôi hút được tích lũy tới

68

Luận văn Thạc sĩ

CBHD: PGS. TS. Huỳnh Đức Minh

lần chuẩn thứ 2 (puzolan hút được 29,71 mgCaO, tro bay hút được 10,81 mgCaO)

Ở cường độ 7 ngày tuổi, mẫu Tb7.5 đạt 34,8 MPa thấp hơn mẫu Pu7.5

(36,0 MPa) 3,33%, có thể giải thích hiện này tương tự như ở thời điểm 3 ngày tuổi,

vào thời điểm 7 ngày tuổi hoạt tính của tro bay thấp hơn puzolan thể hiện qua lượng

vôi hút được tích lũy tới lần chuẩn thứ 4 (puzolan hút được 40,12 mgCaO, tro bay

hút được 23,45 mgCaO).

Ở cường độ 28 ngày tuổi, mẫu Tb7.5 đạt 46,6 MPa cao hơn 4 MPa so với

mẫu Pu7.5 (42,6 MPa) tức cao hơn 8,58%, có thể giải thích hiện tượng này là do ở

thời điểm 28 ngày tuổi hoạt tính của tro bay cao hơn nhiều so với puzolan, lượng

vôi hút được tích lũy của tro bay sau 28 ngày (lần chuẩn thứ 14) là 142,13 mgCaO

so với 60,13 mg CaO mà puzolan hút được. Các sản phẩm được tạo ra từ phản ứng

hoạt tính puzolanic lấp vào khoảng trống mà Ca(OH)2 để lại làm đặc chắc cấu trúc

đá xi măng nên làm tăng cường độ. Hoạt tính của tro bay vào thời điểm này mạnh

hơn puzolan nhiều nên lượng C-S-H, C-A-H thứ sinh tạo ra trong lòng đá xi măng ở

mẫu Tb7.5 nhiều hơn so với mẫu Pu7.5. Vì vậy mẫu Tb7.5 đạt độ đặc chắc cao hơn

và cho cường độ 28 ngày tuổi cao hơn mẫu Pu7.5.

Để kiểm chứng cho quan điểm giải thích này, đề tài tiến hành so sánh ảnh

SEM của mẫu Tb7.5 và Pu7.5 (hình 20) để phản ánh rõ hơn về kết quả đạt được.

(b) (a)

HVTH: Trần Thanh Tùng

Hình 20: Ảnh chụp SEM mẫu Pu7.5 (a) và Tb7.5 (b) ở tuổi 28 ngày.

69

Luận văn Thạc sĩ

CBHD: PGS. TS. Huỳnh Đức Minh

So sánh ảnh SEM của mẫu Tb7.5 và Pu7.5 ở cùng độ phóng đại 20.000 lần

có thể thấy rằng mẫu Tb7.5 có cấu trúc đặc chắc hơn và các tinh thể hiđrô silicat

canxi, hiđrô aluminat dạng sợi nhỏ mịn hơn so với mẫu Pu7.5.

Kết luận chung:

Qua quá trình khảo sát ảnh hưởng của tro bay Duyên Hải đến một số tính

chất cơ lý của xi măng PCB40 FiCO khi dùng nó thay thế puzolan Bình Phước có

thể rút ra một số nhận định sau:

Việc dùng tro bay Duyên Hải thay thế puzolan Bình Phước trong cấp phối

xi măng PCB40 FiCO đã mang lại các tính chất tốt cho xi măng như: giảm lượng

nước tiêu chuẩn, kéo dài thời gian đông kết, tăng cường độ cơ học.

Khả năng kéo dài thời gian đông kết có ý nghĩa rất lớn trong công tác thi

công bê tông ở các công trình xa khu vực trộn, hoặc có thể cân nhắc giảm lượng

thạch cao dùng vì thạch cao có giá thành tương đối cao, chỉ sau clinker.

Việc tăng cao cường độ cơ học cho phép mở rộng nội dung nghiên cứu theo

hướng tiếp tục tăng hàm lượng tro bay trong cấp phối để thay thế cho clinker thì nó

ảnh hưởng như thế nào đến các tính chất cơ lý của xi măng PCB40 FiCO, thông qua

đó xác định hàm lượng tối đa tro bay Duyên Hải có thể sử dụng trong cấp phối xi

măng PCB40 FiCO nhằm tối ưu hóa lợi ích kinh tế - kỹ thuật cho công ty.

Những câu hỏi đặt ra sẽ được giải đáp bởi các khảo sát tiếp theo trong luận

văn này khi tiếp tục tăng dần hàm lượng tro bay thay thế cho nguyên liệu có giá

thành cao nhất là clinker trong cấp phối nghiền xi măng.

3.3. Kết quả khảo sát khi tiếp tục sử dụng tro bay thay thế cho clinker

HVTH: Trần Thanh Tùng

3.3.1. Ảnh hưởng của tro bay đến lượng nước tiêu chuẩn

70

Luận văn Thạc sĩ

CBHD: PGS. TS. Huỳnh Đức Minh

Bảng 26: Sự thay đổi lượng nước tiêu chuẩn

Lƣợng nƣớc Hàm lƣợng Hàm lƣợng Mã hóa tiêu chuẩn (%) tro bay (%) clinker (%)

28,2 9,5 66,0 Tb9.5

27,9 11,5 64,0 Tb11.5

28,4 13,5 62,0 Tb13.5

28,3 15,5 60,0 Tb15.5

28,1 17,5 58,0 Tb17.5

Hình 21: Sự thay đổi lượng nước tiêu chuẩn

Nhận xét:

Nhìn một cách tổng quát có thể thấy rằng khi tăng hàm lượng tro bay lên thì

lượng nước tiêu chuẩn của xi măng giảm như lý giải ở mục 3.2.1. Tuy nhiên lượng

nước tiêu chuẩn của xi măng trong loạt thí nghiệm này không tỉ lệ tương ứng với

hàm lượng tro bay, điều này chứng tỏ xi măng có hàm lượng tro bay cao chịu cùng

lúc hai tác động nghịch nhau.

Tác dụng “ổ bi” như đã nêu ở trên giúp giảm lượng nước tiêu chuẩn, khi

hàm lượng tro bay không lớn thì hiệu ứng ổ bi chiếm ưu thế làm giảm lượng nước,

HVTH: Trần Thanh Tùng

nhưng khi hàm lượng tro bay tăng lên trong quá trình nghiền chung khả năng tỉ

71

Luận văn Thạc sĩ

CBHD: PGS. TS. Huỳnh Đức Minh

phần tro bay bị va đập vỡ nát cũng tăng lên lúc này hiệu ứng ổ bi không còn chiếm

thế nữa.

3.3.2. Ảnh hưởng của tro bay đến thời gian đông kết

Bảng 27: Sự thay đổi thời gian đông kết của xi măng

TG ĐÔNG KẾT(phút) Hàm lƣợng Hàm lƣợng Mã hóa tro bay (%) clinker (%) Bắt đầu Kết thúc

9,5 66,0 Tb9.5 135 185

11,5 64,0 Tb11.5 145 185

13,5 62,0 Tb13.5 145 195

15,5 60,0 Tb15.5 145 190

17,5 58,0 Tb17.5 150 195

Hình 22: Sự thay đổi thời gian đông kết của xi măng

Nhận xét: Chúng ta thấy rằng hàm lượng tro bay càng tăng thì càng làm

kéo dài thời gian đông kết của xi măng. Như giải thích ở trên hàm lượng tro bay

càng tăng thì lượng nước tro bay tạm thu giữ càng nhiều và làm chậm quá trình thủy

hóa xi măng. Hơn nữa, tăng hàm lượng tro bay cũng đồng nghĩa với giảm lượng

clinker vì vậy nồng độ các khoáng thủy hóa ban đầu cũng suy giảm góp phần kéo

HVTH: Trần Thanh Tùng

dài thời gian đông kết của xi măng.

72

Luận văn Thạc sĩ

CBHD: PGS. TS. Huỳnh Đức Minh

3.3.3. Ảnh hưởng của tro bay đến độ ổn định thể tích

Bảng 28: Độ ổn định thể tích của mẫu thử

Hàm lƣợng Hàm lƣợng

Độ ổn định

Mã hóa

thể tích (mm)

tro bay (%) clinker (%)

9,5 66,0 Tb9.5 1,0

11,5 64,0 Tb11.5 1,0

13,5 62,0 Tb13.5 1,0

15,5 60,0 Tb15.5 1,0

17,5 58,0 Tb17.5 1,0

Nhận xét: Ta thấy rằng trong loạt mẫu thử trên đây, hàm lượng tro bay tăng

dần nhưng độ ổn định thể tích của xi măng không thay đổi và đáp ứng tốt yêu cầu

của tiêu chuẩn TCVN 6260 : 2009. Như vậy có thể nói rằng hàm lượng tro bay hầu

như không ảnh hưởng đến độ ổn định thể tích.

3.3.4. Ảnh hưởng của tro bay đến cường độ cơ học

Bảng 29: Tác động của hàm lượng tro bay đến cường độ xi măng

Cƣờng độ nén (MPa) Hàm lƣợng Hàm lƣợng Mẫu

tro bay (%) clinker (%) thử 1 ngày 3 ngày 7 ngày 28 ngày

Tb9.5 13,1 27,5 34,2 45,3 9,5 66,0

Tb11.5 11,3 24,8 31,9 43,3 11,5 64,0

Tb13.5 11,2 24,5 31,2 43,1 13,5 62,0

Tb15.5 10,6 21,2 26,6 41,1 15,5 60,0

HVTH: Trần Thanh Tùng

Tb17.5 9,8 19,1 23,6 39,1 17,5 58,0

73

Luận văn Thạc sĩ

CBHD: PGS. TS. Huỳnh Đức Minh

Hình 23: Sự giảm cường độ cơ học khi tăng tro bay

Nhận xét:

Hàm lượng tro bay tăng lên thay thế dần clinker trong xi măng thì cường độ

suy giảm theo. Điều này chắc chắn đúng bởi vì clinker là thành tố chính tạo nên

cường độ cơ học của đá xi măng, trong quá trình thủy hóa các khoáng trong clinker

tiết ra vôi và tro bay phản ứng với vôi này để tạo ra hợp chất có tính kết dính thứ

sinh. Tuy nhiên lượng vôi tiết ra là có giới hạn đồng thời khi hàm lượng clinker

giảm thì lượng vôi tiết ra giảm theo. Vì vậy, chỉ trong một giới hạn nhất định của tỉ

lệ hàm lượng tro bay/clinker làm tăng cường độ xi măng, hàm lượng tro bay tăng

lên trong khi lượng clinker giảm thì cường độ chung của xi măng sẽ giảm.

Cường độ ở tuổi 28 ngày suy giảm từ từ khi tăng dần hàm lượng tro bay,

nhưng có thể thấy cường độ ở tuổi sớm suy giảm nhanh chóng. Điều này hợp lý với

giải thích ở mục 3.2.4 trên đây.

Cường độ mẫu Tb17.5 ở tuổi 28 ngày không đạt mức 40 MPa, tức là không

đạt được mác xi măng PCB40. Từ các thí nghiệm này ta thấy rằng để sản xuất xi

HVTH: Trần Thanh Tùng

măng FiCO PCB40 hàm lượng tro bay Duyên Hải đưa vào sử dụng ở mức cao nhất

74

CBHD: PGS. TS. Huỳnh Đức Minh

Luận văn Thạc sĩ

là 15,5%. Trong trường hợp muốn sử dụng với hàm lượng tro bay lớn hơn phải thay

cấp phối so với hiện tại.

Ảnh chụp SEM của mẫu Tb11.5 so sánh với mẫu Tb7.5 dưới đây sẽ cho

thấy rõ sự suy giảm độ đặc chắc của đá xi măng ở tuổi 28 ngày khi giảm hàm lượng

clinker trong cấp phối.

Hình 24: Ảnh chụp SEM mẫu Tb7.5 ở tuổi Hình 25: Ảnh chụp SEM mẫu

28 ngày. Tb11.5 ở tuổi 28 ngày

HVTH: Trần Thanh Tùng

.

75

Luận văn Thạc sĩ

CBHD: PGS. TS. Huỳnh Đức Minh

KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ

KẾT LUẬN

Thông qua quá trình khảo sát các tính chất của tro bay Duyên Hải và khảo

sát ảnh hưởng của nó đến các tính chất cơ lý của xi măng PCB40 FiCO khi dùng

thay thế cho puzolan Bình Phước và clinker trong cấp phối xi măng có thể rút ra

một số kết luận sau:

1. Tro bay Duyên Hải đáp ứng các yêu cầu kỹ thuật của tro bay sử dụng sản

xuất xi măng theo TCVN 10302 : 2014 và đạt yêu cầu sử dụng làm phụ gia

khoáng hoạt tính cho xi măng theo TCVN 6882 : 2001. Hoạt tính puzolanic

của tro bay mạnh hơn puzolan Bình Phước.

2. Tro bay sau nghiền có độ hoạt tính cao hơn so với tro bay nguyên khai nên

việc nghiền tro bay cùng với clinker và các nguyên liệu khác trong cấp phối

xi măng vừa làm tăng tính đồng nhất của hỗn hợp vừa làm tăng độ hoạt tính

của tro bay, qua đó góp phần làm tăng lượng tro bay có thể sử dụng trong

cấp phối nghiền xi măng.

3. Sử dụng tro bay nhiệt điện Duyên Hải thay thế hoàn toàn 7.5% puzolan Bình

Phước trong cấp phối sản xuất xi măng PCB40 FiCO giúp cải thiện các tính

chất của xi măng như tăng cường độ 28 ngày từ 42,6 lên 46,6 MPa (8,58%),

giảm lượng nước tiêu chuẩn từ 27,6% xuống còn 27,3%.

4. Có thể sử dụng tro bay Duyên Hải với hàm lượng lên đến 15,5% để thay thế

cho 7,5% puzolan Bình Phước và 8% clinker trong cấp phối sản xuất xi

HVTH: Trần Thanh Tùng

măng PCB40 FiCO mà vẫn đảm bảo các yêu cầu chất lượng của xi măng.

76

Luận văn Thạc sĩ

CBHD: PGS. TS. Huỳnh Đức Minh

KIẾN NGHỊ

Tiếp nối các nội dung trên của luận văn, tác giả luận văn mong muốn tiếp

tục thực hiện các nhiệm vụ sau:

Xây dựng phương pháp kiểm tra nhanh độ hoạt tính của nguyên liệu bằng

phương pháp đo độ dẫn điện nhằm áp dụng vào việc kiểm tra nhanh chất lượng

nguyên liệu nhập về Nhà máy, đảm bảo công tác kiểm soát chất lượng nguyên vật

liệu đầu vào sản xuất.

Tiếp tục nghiên cứu khả năng sử dụng tro bay Duyên Hải để sản xuất các

chủng loại xi măng khác như xi măng bền sun phát, xi măng chịu chua phèn… trên

nền clinker FiCO và tiến đến sản xuất công nghiệp phục vụ cho các công trình xây

HVTH: Trần Thanh Tùng

dựng tại miền Tây Nam bộ.

77

Luận văn Thạc sĩ

CBHD: PGS. TS. Huỳnh Đức Minh

TÀI LIỆU THAM KHẢO

1. Lea; Frederick Measham (1970), The chemistry of cement and concrete.

2. Bộ Khoa học và Công nghệ (2003), TCVN 4030 - 2003 Xi măng, phương pháp xác định độ mịn.

3.

Bộ Khoa học và Công nghệ (2009), TCVN 2682 - 2009 Xi măng Poóc lăng - Yêu cầu kỹ thuật.

4. Joshi, R.C. and Lohita. RP (1997), Fly ash in concrete: production, properties and uses. Vol. 2. CRC Press.

5.

Li Shuang Xi; Yang Tuan She; Wang Zhi Ming; Hu Quan (2011), Experiment and micro-mechanism study on mechanical properties and durability of high-calcium fly ash concrete. Key Engineering Materials. Vol. 480. Trans Tech Publ. 59-65.

6. Lafarge (2007), Fly ash in Concrete Applications, Lafarge North America Cement Operting Regions. http://www.lafarge-na.com.

7. ASTM C 618 - 05 (2005), Specification for coal fly ash and raw or calcined natural pozzolan for use in concrete.

8.

Bộ Khoa học và Công nghệ (2014), TCVN 10302 - 2014 Phụ gia hoạt tính tro bay dùng cho bê tông, vữa xây và xi măng - Activity admixture - Fly ash for concrete, mortar and cement.

9. Goodarzi Fariborz (2006), Characteristics and composition of fly ash from Canadian coal-fired power plants. Fuel. Vol. 85. 1418-1427.

10. Blissett R.S. Rowson N.A. (2012), A review of the multi-component utilisation of coal fly ash. Fuel. 97: p. 1-23.

11.

Sarbak Z. Stańczyk A. Kramer-Wachowiak M. (2004), Characterisation of surface properties of various fly ashes. Powder Technology. 145(2): p. 82- 87.

12. Ma Baoguo; Qi Meng; Peng Jun; Li Zongjin (1999), The compositions, surface texture, absorption, and binding properties of fly ash in China. Environment international. 25(4): p. 423-432.

13. Diamond Sidney (1986), Particle morphologies in fly ash. Cement and Concrete Research. 16(4): p. 569-579.

HVTH: Trần Thanh Tùng

14. Foner HenryA; Robl ThomasL; Hower JamesC; Graham UschiM (1999), Characterization of fly ash from Israel with reference to its possible

78

Luận văn Thạc sĩ

CBHD: PGS. TS. Huỳnh Đức Minh

utilization. Fuel. 78(2): p. 215-223.

15. Phạm Thị Chọn (2014), Nghiên cứu ảnh hưởng của phụ gia hỗn hợp tro bay- CMC đến tính chất của xi măng.

16. American Coal Ash Association (2015), Coal Combustion Products http://www.acaa- Statistics. Use & Production usa.org/Publications/ProductionUseReports.aspx.

17. Haibin Liu; Zhenling Liu (2010), Recycling utilization patterns of coal mining waste in China. Resources, Conservation and Recycling. 54(12): p. 1331-1340.

18.

The Auditorium NDCC II Convention Centre (2012), Thermal power stations of various power utilities in the country during the year 2010-2012 http://flyash2012.missionenergy.org/intro.html.

19.

Skodras G.; Grammelis P.; Kakaras E.; Karangelos D.; Anagnostakis M.; Hinis E. (2007), Quality characteristics of Greek fly ashes and potential uses. Fuel processing technology. Vol. 88. 77-85.

20. SINGH MANORAMA GUPTA1and SP (2012), Fly ash production and its utilization in different countries.

21. Hiệp hội Năng lượng Việt Nam - VEA (2016), Chuẩn bị vận hành tổ máy 1 nhiệt điện Duyên Hải 3. http://nangluongvietnam.vn/news/vn/dien-luc-viet- nam/chuan-bi-van-hanh-to-may-1-nhiet-dien-duyen-hai-3.html.

22. (2009), Kết quả nghiên cứu KHCN

ThS. Nguyễn Văn Đoàn http://www.moc.gov.vn/vi/web/guest/trang-chi-tiet/-/tin-chi- tiet/Z2jG/85/30680/ten-de-tai-nghien-cuu-su-dung-tro-bay-nha-may-nhiet- dien-suralaya-indonesia-lam-phu-gia-khoang-cho-san-xuat-xi-mang-tai- cong-ty-xi-mang-holcim-viet-nam..html.

23.

Tang S. W.; Cai X. H.; He Z.; Shao H. Y.; Li Z. J.; Chen E. (2016), Hydration process of fly ash blended cement pastes by impedance measurement. Construction and Building Materials. Vol. 113. 939-950.

24. Bouzoubaa Nabil; Zhang M.H.; Bilodeau A.; Malhotra V.M. (1997), The effect of grinding on the physical properties of fly ashes and a Portland cement clinker. Cement and concrete research. 27(12): p. 1861-1874.

25.

HVTH: Trần Thanh Tùng

Luxán María Pilar de; De Rojas MI Sanchez; Frías Moisés (1989), Investigations on the fly ash-calcium hydroxide reactions. Cement and Concrete Research. 19(1): p. 69-80.

79