Khảo sát ảnh hưởng của thạch cao anhydryte đến tính chất của xi măng portland

38 Soá 10, thaùng 9/2013 38 Khoa hoïc Coâng ngheä KHẢO SÁT ẢNH HƯỞNG CỦA THẠCH CAO ANHYDRYTE ĐẾN TÍNH CHẤT CỦA XI MĂNG PORTLAND Huỳnh Thị Hồng Hoa * Huỳnh Ngọc Minh ** Tóm tắt Thí nghiệm được tiến hành nhằm khảo sát ảnh hưởng của Thạch cao anhydryte đến tính chất của xi-măng Portland. Kết quả khảo sát cho thấy Thạch cao anhydryte có khả năng bít kín lỗ xốp trong đá xi-măng, tăng khả năng chống thấm đồng thời cũng làm ảnh hưởng đến những tính chất khác. Từ khóa: thạch cao anhydryte, xi măng Portland, đóng rắn, khả năng chống thấm. Abstract The experiment was carried out to examine the influence of anhydryte gypsum to the characterization of the Portland cement. Results from the survey for anhydryte gypsum capable of sealing the pores in the cement stone, waterproof increase and also affects other properties. Key words: anhydryte gypsum, Portland cement, curing, waterproof. * Khoa Hóa học Ứng dụng - Trường Đại học Trà Vinh ** Khoa Công nghệ Vật liệu – Trường Đại học Bách Khoa TP.HCM 1. Đặt vấn đề Trong điều kiện khí hậu Việt Nam nóng ẩm, mưa nhiều thì vấn đề chống thấm được đặt ra hàng đầu, nhất là các công trình thường xuyên tiếp xúc với nước, môi trường ẩm ướt. Thông thường mọi vật liệu xây dựng đều có các mao quản với đường kính từ 20-40 μm và nước sẽ thẩm thấu qua các mao quản này. Để lấp kín mạng mao quản trong các khối xây bằng gạch người ta thường sử dụng vữa chống thấm. Xi-măng là chất kết dính không thể thiếu trong ngành xây dựng. Vấn đề đáng quan tâm hiện nay là việc cải thiện các tính chất của xi-măng, phục vụ cho từng mục đích cụ thể. Thạch cao anhydryte có tính chất đóng rắn rất chậm, đóng rắn sau khi xi-măng đã đóng rắn, có khả năng bít kín lỗ xốp trong đá xi-măng, tăng khả năng chống thấm. Vì vậy đề tài này nhằm mục đích nghiên cứu ảnh hưởng của Thạch cao anhydryte đến các tính chất của xi-măng Portland, nhất là tính chống thấm. 1.1. Phương tiện và phương pháp Địa điểm: Quá trình nghiên cứu được thực hiện tại Phòng Quản lý Chất lượng Nhà máy Xi- măng Cotec và Phòng Thí nghiệm Silicate, Bộ môn Silicate - Khoa Công nghệ Vật liệu - Đại học Bách Khoa Thành phố Hồ Chí Minh. 1.2. Phương pháp thực hiện - Tạo Thạch cao anhydryte II có tính chất đóng rắn chậm từ đá Thạch cao (phân tích DTA mẫu nguyên liệu đá Thạch cao để tìm nhiệt độ nung thích hợp tạo anhydryte II, phân tích nhiễu xạ tia X mẫu Thạch cao nung để tìm các khoáng). - Xác định một số tính chất của anhydryte (thời gian đông kết, lượng nước tiêu chuẩn). - Tạo và đúc mẫu xi-măng – anhydryte với nhiều cấp phối khác nhau từ 0; 1; 2; 4; 6; 8; 10% anhydryte. - Xác định các tính chất cơ lý của mẫu thử: • Lượng nước chuẩn – theo TCVN 6017:1995. • Thời gian đông kết theo TCVN 6017:1995. • Độ ổn định thể tích, phương pháp Le Chat- elier - theo TCVN 6017:1995. • Bề mặt riêng, phương pháp Blaine - TCVN 4030:2000. • Hàm lượng SO3 – TCVN 141 : 1998. • Cường độ nén mẫu vữa xi-măng - anhydryte sau 3; 7; 28 ngày so với mẫu OPC (mẫu gồm 96% clinker xi-măng Portland + 4% Thạch cao). • Khả năng chống thấm bằng dụng cụ tự tạo theo tiêu chuẩn DIN 1048. 39 Soá 10, thaùng 9/2013 39 Khoa hoïc Coâng ngheä - Nghiên cứu vi cấu trúc vật liệu bằng phương pháp nhiễu xạ tia X (dòng máy D8 Advance Beuker Axs, Đức), ảnh hiển vi điện tử quét (SEM – dòng máy Jeol-JSM 5500, Nhật Bản) mẫu thử 28 ngày. 1.3. Tóm tắt thí nghiệm Đá Thạch cao (dạng cục) được đập nhỏ tới kích thước 1cm, đem nung ở 800oC được anhydryte II. Anhydryte II tạo thành đem nghiền mịn bằng máy nghiền bi, sàng tới khi 100% lọt sàng 0.08 mm. Tiến hành đúc mẫu đá xi-măng – anhydryte II với nhiều cấp phối khác nhau bằng cách trộn xi-măng OPC với cát tiêu chuẩn, nước và 0; 1; 2; 4; 6; 8; 10% an- hydryte. Mẫu đá xi-măng – anhydryte II sau khi tạo thành đem ngâm trong nước để dưỡng ẩm và sau đó xác định các tính chất cơ lý của mẫu thử. 2. Kết quả và thảo luận 2.1. Tạo anhydryte II Tại khoảng nhiệt độ 707,4oC – 799,7oC có hiệu ứng thu nhiệt tương ứng khoảng nhiệt độ tạo anhy- dryte II, nhiệt độ hiệu ứng mạnh nhất ở 771,5oC. Từ kết quả phân tích DTA trên ta rút ra nhiệt độ nung thạch cao CaSO4.2H2O thích hợp để tạo anhydryte II là 800oC. Hình 1. Kết quả phân tích DTA mẫu Thạch cao (chưa nung) Hình 2. Kết quả phân tích nhiễu xạ tia X - mẫu anhydryte II Khi phân tích nhiễu xạ tia X, mẫu Thạch cao nung ta nhận biết được thành phần khoáng chính là CaSO4 (cường độ tia mạnh nhất) và một số tia khác có cường độ rất thấp mà không phân biệt được CaSO4 tạo thành ở dạng II hoặc III. Qua kết quả phân tích độ tan của Thạch cao nung (độ tan 11.4%), ta có thể nói ngoài CaSO4 II còn có một lượng nhỏ CaSO4 III (CaSO4 III có tính chất tan được trong nước, rất dễ hút ẩm tạo dạng hemihydrat) và các tạp chất khác (cặn không tan,). Bảng 1: Một số tính chất đặc trưng Anhydryte II CÁC TÍNH CHẤT CỦA ANHYDRYTE Hàm lượng CaSO4 (% ) 82,5 Lượng nước tiêu chuẩn (%) 38 Thời gian bắt đầu ninh kết (giờ) 2,5 Thời gian kết thúc ninh kết (giờ) 8 Độ tan trong nước (%) 11,4 Cặn không tan (%) 2,5 Khối lượng riêng (g/cm3) 2,85 Độ mịn 100% lọt sàng 0,08 mm 40 Soá 10, thaùng 9/2013 40 Khoa hoïc Coâng ngheä 3.2. Khảo sát các tính chất của xi-măng chứa anhydryte II Bảng 2: Các tính chất của xi-măng – anhydryte TÓM TẮT KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU Mẫu Độ mịn Blaine (cm2/g) Lượng nước chuẩn (%) Thời gian ninh kết Độ ổn định thể tích (%) SO3 (%) Cường độ nén (Mpa) Độ chống thấm TG bđ (ph) TG kt (ph) 3 ngày 7 ngày 28 ngày M0 (OPC) 3475 24,6 85 205 0,5 1,9 24,6 36,1 46,6 M1 3583 24,6 85 210 0,5 2,28 23,0 32,5 44,9 M2 3644 24,8 90 200 0,6 2,66 21,5 32,1 45,8 M4 3512 25,2 100 205 0,5 3,43 20,1 30,3 44,0 Tốt nhất M6 3538 25,6 90 215 0,6 4,19 14,7 23,6 43,7 M8 3611 26,0 95 220 0,7 4,96 15,2 20,2 41,3 M10 3693 26,2 85 215 1,2 5,72 14,7 17,3 27,0 Chú thích: M0 (OPC) = 96% clinker xi-măng + 4% CaSO4.2H2O. M1 = OPC + 1% anhydryte. M2 = OPC + 2% anhydryte. M4 = OPC + 4% anhydryte. M6 = OPC + 6% anhydryte. M8 = OPC + 8% anhydryte. M10 = OPC + 10% anhydryte. - Độ mịn Blaine: kết quả cho thấy xi-măng có chứa 10% anhydryte có độ mịn cao nhất do độ mịn anhydryte cao, khi trộn các hạt nhỏ chèn vào chỗ trống các hạt làm không khí khó lọt qua hơn. - Lượng nước chuẩn: lượng nước chuẩn có hai vai trò chính là tham gia quá trình hydrat hóa và tạo dẻo cho vữa, ta thấy tác động của anhydryte đến sự thay đổi lượng nước chuẩn tuân theo quy luật: khi tăng tỉ lệ anhydryte thì lượng nước chuẩn tăng theo là do anhydryte đóng rắn chậm ban đầu chưa tham gia thủy hóa, đồng thời lại có cỡ hạt mịn, bề mặt riêng lớn cần lượng nước bao quanh nhiều hơn. Do đó khi có mặt anhydryte cần gia tăng lượng nước chuẩn để duy trì độ dẻo tiêu chuẩn cho hồ xi-măng và cung cấp đủ lượng nước cho quá trình hydrat hóa. - Thời gian đông kết: dù lượng nước chuẩn tăng nhưng thời gian đông kết không bị ảnh hưởng nhiều có thể do trong anhydryte vẫn còn tồn tại rất ít CaSO4. 0,5H2O gây hiện tượng đông kết giả làm xi-măng đông cứng nhanh giai đoạn đầu quá trình đóng rắn (bù trừ việc tăng lượng nước chuẩn làm tăng thời gian đông kết). - Độ ổn định thể tích: nhìn chung không có sự chênh lệch quá lớn giữa các mẫu và đều phù hợp TCVN 6260:1997. - Hàm lượng SO3 cao sẽ gây ăn mòn cốt thép, các mẫu M6, M8, M10 cao >3.5% vượt tiêu chuẩn cho phép. - Cường độ nén : Độ giảm cường độ so với mẫu M0 (%) Mẫu M1 M2 M4 M6 M80 M10 3 ngày tuổi 6,50 12,60 18,29 40,24 38,21 40,24 7 ngày tuổi 9,97 11,08 16,07 34,63 44,04 52,08 28 ngày tuổi 3,65 1,72 5,58 6,22 11,37 42,06 Bảng 3: So sánh độ giảm cường độ mẫu theo thời gian 41 Soá 10, thaùng 9/2013 41 Khoa hoïc Coâng ngheä Ở 3 - 7 ngày tuổi: mẫu M1, M2, M4 cường độ nén giảm không đáng kể so với mẫu OPC; mẫu M6, M8, M10 thì giảm nhiều là do ở giai đoạn đầu chỉ có các khoáng xi-măng tham gia thủy hóa, còn an- hydryte chủ yếu tham gia vào vi cấu trúc đá xi-măng với vai trò cốt liệu mịn, lượng C-S-H bị thiếu hụt do một phần xi-măng bị thay thế bởi anhydryte, đồng thời lượng nước chuẩn cao, lượng nước dư bốc hơi để lại lỗ xốp làm giảm cường độ đá xi-măng. Ở 28 ngày tuổi: cường độ các mẫu không lệch nhiều so với mẫu OPC (trừ mẫu M10) là do lúc này anhydryte đã đóng rắn có tác dụng điền đầy lỗ xốp đá xi-măng làm mức độ giảm cường độ đá xi-măng ít hơn. - Độ chống thấm Qua biểu đồ ta nhận thấy xi-măng khi có sử dụng anhydryte khả năng chống thấm tốt hơn so với mẫu OPC. Nguyên nhân là do anhydryte có kích thước hạt mịn thích hợp khi đóng rắn lại có vai trò làm chất lắp đầy các lỗ rỗng trong đá xi-măng, làm giảm kích thước lỗ xốp đá xi-măng. Thực nghiệm cho thấy mẫu M4 là có khả năng chống thấm cao nhất. Để kiểm tra thêm về khả năng chống thấm ta tiến hành phân tích cấu trúc vữa 28 ngày tuổi bằng SEM: mục đích là quan sát khả năng liên kết giữa cốt liệu và đá xi-măng, phân tích vi cấu trúc tinh thể, xem sự phát triển và kết tinh của các khoáng trong không gian lỗ xốp đá xi-măng. Bảng 4: Chiều cao cột nước thấm qua mẫu Hình 3. Biểu đồ phân bố lượng nước thấm qua mẫu 42 Soá 10, thaùng 9/2013 42 Khoa hoïc Coâng ngheä Hình 4. Ảnh SEM mẫu M0 bên trong không gian lỗ xốp Hình 5. Ảnh SEM mẫu M4 bên trong không gian lỗ xốp Khi quan sát sự kết tinh trong không gian lỗ xốp của mẫu vữa M0 và M4 ở 28 ngày tuổi (độ phóng đại 1000 lần) ta nhận thấy, với mẫu M4 sự kết tinh trong không gian lỗ xốp tương đối đều, lỗ xốp có thêm các phần tử phân tán, phần thể tích lỗ xốp lớn ít đi, phần thể tích lỗ xốp mịn tăng lên, nhờ đó cấu trúc vữa đặc chắc hơn, điều này giải thích tính chống thấm của xi-măng khi có mặt của anhydryte II. 3. Kết luận Tùy mục đích sử dụng, ta phải chọn cấp phối nào phù hợp, vừa đạt cường độ mong muốn vừa có khả năng chống thấm, đáp ứng những yêu cầu kỹ thuật khác nhau (lượng nước chuẩn, độ ổn định thể tích,) và phải kinh tế (tiết kiệm nguyên liệu clinker, chi phí sản xuất,). Nếu sử dụng xi-măng anhydryte làm vữa tô bề mặt tường ngoài, không tiếp xúc trực tiếp cốt thép thì có thể sử dụng các cấp phối M1,M2, M4, M6, M8 đều được. Nếu sử dụng xi-măng anhydryte trong bê tông cốt thép thì không nên sử dụng cấp phối M6, M8 vì hàm lượng SO3 cao sẽ gây ăn mòn cốt thép. Tuy nhiên để làm rõ hơn vai trò của anhy- dryte đến các quá trình hydrat hóa và tính chất của xi-măng Portland (nhất là tính chống thấm) thì cần thực hiện thêm các nghiên cứu đánh giá: Khảo sát nhiệt độ nung đá Thạch cao, thời gian lưu nhiệt tối ưu để tạo anhydryte II, khảo sát ảnh hưởng độ mịn của Thạch cao anhydryte; sự kết tinh các khoáng, cơ chế đóng rắn của anhydryte trong không gian lỗ xốp đá xi-măng. Tài liệu tham khảo Bộ môn Silicate. 2003. Hướng dẫn thí nghiệm chuyên ngành vật liệu Silicate. NXB Đại học Quốc gia TP. Hồ Chí Minh. Đỗ Quang Minh. 2007. Công nghệ sản xuất xi măng Pooc lăng và một số chất kết dính. NXB Đại học Quốc gia TP. Hồ Chí Minh. Trung tâm Kỹ thuật tiêu chuẩn đo lường chất lượng 3. 2007. Thử nghiệm bê tông xi măng. 201 trang.