TRƯỜNG ĐẠI HỌC MỎ ĐỊA CHẤT
KHOA XÂY DỰNG
BÁO CÁO TỔNG KẾT ĐỀ TÀI

TÍNH CHẤT VÀ VAI TRÒ CỦA PHỤ GIA KHOÁNG HOẠT TÍNH
TRONG QUÁ TRÌNH THỦY HÓA XI MĂNG

Hà Nội, tháng 4 năm 2014

Báo cáo Đề tài NCKH Sinh viên
RHA : Rice Husk Ash (tro trấu)
RCC : Roller-Compacted Concrete ( bê tông đầm lăn)
SEM : Search Engine Marketing (Marketing trên công cụ tìm kiếm)
SF : Silicafume( Muội silic)
VLXD: Vật liệu xây dựng Báo cáo Đề tài NCKH Sinh viên
Danh Mục Hình Vẽ, Sơ Đồ
Hình 1.1 Nhà máy điện đốt than
Hình 1.2 Tro bay
Hình 1.3 Xỉ Lò Cao
Hình 1.4 Sơ đồ sản xuất muội silic
Hình 1.5 Muội silic
Hình 1.6 Mêtacaolanh
Hình 2.1 ảnh chụp SEM của tro bay x5000
Hình 2.2 Ảnh chụp SEM của các mẫu xỉ lò cao
Hình 2.3 Muội Silic (Silicafume)
Hình 2.4 Hình ảnh của mêtacaolanh
Hình 2.5 SEM của mêtacaolanh
Hình 3.1 Clanhke xi măng
Hình 3.2 Quá trình thủy hóa xi và sự phát triển cấu trúc hồ xi măng. [2]
Hình 3.3 – là sơ đồ phân tích nhiễu xạ tia X của hỗn hợp có chứa 40% xỉ lò cao với
diện tích bề mặt riêng là (425 m

hoạt tính này sẽ tham gia vào quá trình Hydrat hóa và đóng rắn
tạo ra các sản phẩm cải thiện cường độ và tính công tác của hỗn hợp xi măng. Đây là
các loại phụ gia có hoạt tính Puzzolan hay hoạt tính thủy lực.

Báo cáo tổng kết đề tài “Nghiên cứu tính chất và vai trò của phụ gia khoáng
hoạt tính trong quá trình thủy hóa của xi măng” được thực hiện bởi nhóm sinh viên
khoa xây dựng, trường đại học Mỏ địa chất sẽ trình bày khái quát một số loại phụ gia
khoáng hoạt tính và ảnh hưởng của chúng tới quá trình thủy hóa của xi măng.
Trong quá trình nghiên cứu còn có nhiều mặt hạn chế và thiếu sót, kính mong
nhận được sự góp ý của của các thầy cô và bạn đọc quan tâm đến lĩnh vực phụ gia
trong vật liệu xây dựng nói chung để có một kết quả nghiên cứu chính xác hơn. Chúng tôi xin chân thành cảm ơn!
2

Chương 1
TỔNG QUAN VỀ PHỤ GIA VÀ PHÂN LOẠI
PHỤ GIA KHOÁNG HOẠT TÍNH

Ngành xây dựng ngày càng phát triển, công nghiệp bê tông xi măng ngày càng
được tăng cao thì phụ gia trong lĩnh vực bê tông xi măng càng có vị trí hết sức quan
trọng trong việc nâng cao chất lượng công trình, tiết kiệm thi công, giảm giá thành…
Để hiểu sâu về lĩnh vực phụ gia trong công nghiệp bê tông, trong chương 1 này

3

1.1.2.3 So sánh hai loại phụ gia khoáng và phụ gia khoáng hoạt tính
 Giống nhau :
Ban đầu chúng đều có nguồn gốc từ tự nhiên và ngày nay chúng bao gồm cả
các phế thải công nghiệp có tính chất khoáng có kích thước hạt nhỏ. Vì thế có khả
năng bịt kín các lỗ rỗng có trong vi cấu trúc mao quản của đá bê tông.
 Khác nhau :
- Phụ gia khoáng chứa các hợp chất hoạt tính thấp, ít có tác động đến chất lượng
của bê tông.
- Phụ gia khoáng hoạt tính chứa các hợp chất có hoạt tính cao, chính các hợp chất
này tham gia phản ứng với các cấu tử có trong vữa xi măng. Sản phẩm tạo thành
có tính kết dính, và tăng lực cấu kết.
1.2 PHÂN LOẠI PHỤ GIA KHOÁNG HOẠT TÍNH
1.2.1 Phân loại theo nguồn gốc hình thành
1.2.1.1 Phụ gia khoáng có nguồn gốc thiên nhiên
Là loại phụ gia đã được sử dụng lâu đời trong công nghiệp xi măng và bê tông.
Phụ gia khoáng thiên nhiên bao gồm đá Bazan, tuff núi lửa, trass, diatomit, muội
silic…Thành phần chủ yếu của các loại phụ gia này là SiO
2
ngoài gia còn có thêm
Al
2
O
3
và Fe
2
O
3
. Độ hoạt tính của loại phụ gia này chủ yếu phụ thuộc vào thành phần

1.2.2.1 Phụ gia có tính chất kết dính
Phụ gia loại này bao gồm Chất kết dính tự nhiên, vôi thủy lực, xi măng xỉ (hỗn
hợp của xỉ lò cao và vôi) và xỉ lò cao nghiền mịn.
Xỉ lò cao là một loại thủy tinh canxi giàu Silic và Nhôm tác dụng với vôi và
Anion SiO
4
2–
được giải phóng do quá trình hydrat hóa của xi măng. Xỉ lò cao được
nghiên cứu như là một phụ gia cho bê tông và ngày càng được sử dụng nhiều hơn
trong xây dựng. Đây là một ứng dụng được nhiều sự quan tâm vì nó không chỉ giảm
chi phí cho xây dựng, tiết kiệm xi măng mà còn góp phần giảm thiểu ô nhiễm môi
trường.
1.2.2.2 Phụ gia có tính chất Puzzolan
Theo tiêu chuẩn ACI SP – 19 phụ gia puzzolan được định nghĩa là vật liệu chứa
SiO
2
hoặc cả SiO
3
và Al
2
O
3
mà bản thân nó ít hoặc không có khả năng kết dính, nhưng
sau khi được nghiền mịn thì nó sẽ có khả năng phản ứng hóa học với kiềm ở nhiệt độ
thường tạo ra các hợp chất kết dính.
Ví dụ về phụ gia loại này như tro bay, tro núi lửa, đất diatomic, đá phiến sét
hoặc sét đã qua xử lý. Muội silic là một loại phụ gia khoáng cao hoạt tính. Được sử
dụng chủ yếu để cải thiện tính bền vững và cường độ bê tông khi thay thế cho xi măng
Portland. Muội silic được sử dụng đầu tiên vào năm 1970 tại Norway, sau đó tại Hoa
5

Những vật liệu này thường được sử dụng ở trạng thái khô trong những ứng
dụng mà không có yêu cầu về hoạt tính puzzolan.
1.3 MỘT SỐ LOẠI PHỤ GIA KHOÁNG HOẠT TÍNH PHỔ BIẾN Ở VIỆT
NAM
1.3.1 Tro bay (Fly-Ash)
Từ thế kỷ trước, các nhà khoa học đã biết sử dụng tro bay của các nhà máy điện
đốt than để làm phụ gia cho bê tông. Khoa học kỹ thuật ngày càng phát triển đã khẳng
định được “sự kỳ diệu của tro bay” trong công nghệ bê tông, sản xuất xi măng.[10]

6 Tro bay – chất thải chất thải từ nhà máy nhiệt điện

Hình 1.1 Nhà máy điện đốt than
Tro bay là sản phẩm được tạo ra từ quá trình đốt than của các nhà máy nhiệt
điện. Các hạt bụi tro được đưa ra qua các đường ống khói sau đó được thu hồi từ
phương pháp kết sương tĩnh điện hoặc bằng phương pháp lốc xoáy. Tro bay là một
loại phụ gia khoáng, hoạt tính nhân tạo, là các sản phẩm phụ hoặc phế thải thu được
trong các quá trình sản xuất công nghiệp.


SiO
2
, Al
2
O
3
. Xỉ được thải ra và được làm lạnh đột ngột bằng dòng nước lạnh có áp lực
cao nên chúng vỡ vụn ra thành các hạt dạng rời. Khi nghiền đến độ mịn thích hợp, nó
có thể dùng trong xi măng hoặc cho vào bê tông như một phụ gia khoáng. Hình 1.3 Xỉ Lò Cao
Xỉ lò cao ngày càng được sử dụng nhiều hơn trong xây dựng. Đây là một ứng
dụng được nhiều sự quan tâm vì nó không chỉ giảm chi phí cho xây dựng, tiết kiệm xi
măng mà còn góp phần giảm thiểu ô nhiễm môi trường.
1.3.3 Muội silic (Silicafume)
Muội silic còn được gọi là microsilica, là một dạng cấu trúc vô định hình của
silic điôxít. Muội silic là sản phẩm phụ của công nghiệp sản suất chế phẩm silicon
hoặc hợp kim ferosilicon chứa silic, thoát ra dưới dạng khói bay cực mịn.[11]

Mêtacaolanh là alumôsilicát hoạt tính được hình thành do nung Caolanh tinh
khiết hoặc đất sét caolinít được nung ở nhiệt độ hợp lý ~550
𝑜
𝐶 và nghiền đến độ mịn
cao. Chính vì mêtacaolanh có thể kết hợp được với Ca(OH)
2
để hình thành các sản
phẩm Hydrat, vì thế nó góp phần làm tăng đặc tính của bê tông. Cho nên mêtacaolanh
ngày càng được sử dụng rộng rãi trong bê tông, đặc biệt là bê tông chất lượng cao.

10

Chương 2
ĐẶC TRƯNG CỦA MỘT SỐ LOẠI PHỤ GIA KHOÁNG HOẠT TÍNH

Bất kể loại vật liệu nào cũng đều mang cho mình những tính chất đặc trưng
riêng để qua những tính chất đó mà ta có thể sử dụng chúng một cách hợp lý và đúng
cách. Phụ gia khoáng hoạt tính cũng vậy, nó mang cho mình những đặc trưng như
kích thước, hình dạng, màu sắc, đặc trưng lý hóa, đặc trưng kết dính…Trong chương 2
này chúng ta sẽ đi sâu tìm hiểu về các đặc trưng cơ bản nhất của phụ gia khoáng hoạt
tính mà điển hình là Tro bay(FA), Xỉ lò cao(GGBFS), Muội silic (SF),
Mêtacaolanh(MK).
2.1 TRO BAY (Fly-Ash)
2.1.1 Kích thước,hình dạng và màu sắc
Tro bay có kích thước hạt nhỏ hơn kích thước hạt của xi măng thông thường.
Tro bay bao gồm các hạt Siltsized thường là hình cầu có cỡ hạt từ 1-100μm, cỡ hạt
trung bình khoảng 20μm có dạng hình cầu hoặc hình cầu rỗng.

Hình 2.1 ảnh chụp SEM của tro bay x5000

2
,
Al
2
O
3
, Fe
2
O
3
, TiO
3
, MgO, CaO, K
2
O. Ngoài ra, có thể chứa một lượng than chưa
cháy. Trong đó SiO
2
và Al
2
O
3
, chiếm khoảng 45 – 80% tổng lượng tro.

12

Thông số
Tro bay loại F
Tro bay loại C
SiO
2


Bảng 2.1 Thành phần hóa học của tro bay
2.1.5 Đặc trưng khoáng vật
Nghiên cứu nhiễu xạ tia X của các giai đoạn kết tinh của một số loại tro bay
được gọi là phân tích khoáng vật. Đặc điểm khoáng vật được xác định qua tinh thể ở
các giai đoạn kết tinh của tro bay. Nói chung,có khoảng 15 – 45% chất kết tinh có
trong tro bay.
Mặc dù hàm lượng cao canxi nhưng tro bay loại C có ít tinh thể, họ làm có giai
đoạn kết tinh nhất định như anhydride (CaSO
4
), tricalciumaluminat (3CaOAl
2
O
3
),
canxi sulfo aluminate (CaSAl
2
O
3
) và số lượng rất nhỏ của vôi tự do (CaO) tham gia
vào sản xuất xi măng các hợp chất. Ngoài ra,giai đoạn thủy tinh trong tro bay loại C
thường là phản ứng mạnh hơn. Các hạt thủy tinh trong tro bay loại C có chứa lượng
canxi lớn mà có thể làm cho bề mặt của các hạt căng ra, đó là bản chất phản ứng cao
của tro bay loại C.
Aluminatetricalcium (3CaOAl
2
O
3
) là một trong những tinh thể quan trọng nhất
trong giai đoạn kết tinh để xác định và định lượng tro bay bởi vì nó góp phần hình

Fe
2
O
3
1,1 – 2,7
Fe
3
O
4

0,8 – 6,5
SiO
4
2,2 – 8,5
CaO
3,5

Bảng 2.2 Hàm lượng khoáng chất của tro bay
2.1.6 Các đặc trưng lý hóa
Tro bay có thể làm tăng hoặc làm giảm độ dẻo tức là giảm hoặc tăng lượng
nước yêu cầu của hỗn hợp bê tông, điều đó tuỳ thuộc vào hàm lượng than chưa cháy
và độ mịn của tro bay. Việc làm tăng lượng nước yêu cầu được giải thích bằng việc
hút nước của các phần tử cacbon (than chưa cháy), sự cản trở giữa các hạt tro bay lớn,
cũng như cốt liệu làm cho pha hồ có độ nhớt cao
2.1.7 Tính kết dính
Hiện nay Việt Nam đã có Nhóm nghiên cứu đã thử ngâm chất kết dính này
trong môi trường axít HCl và H
2
SO
4

425
–
2,89
371
–

Bảng 2.3 Tính chất vật lý của xỉ lò cao
2.2.2 Trạng thái hình học
Diện tích bề mặt và đường kính của xỉ lò cao được đưa ra trong bảng 2.4 Có thể
thấy rằng đường kính của các hạt xỉ lò cao thay đổi từ 9,12 đến 13.69µm trong khi
diện tích bề mặt khoảng 510 đến 685m
2
/kg
Mẫu
Máy Nghiền bi
(A)
Máy nghiền
rung (B)
Máy xay khí
lưu (c)
Máy nghiền
(D)
Diện tích toàn
phần ( m
3
/kg )
510
685
515
512

2
, Al
2
O
3
, MgO. Nó có các thành
phần hóa chất tương tự như xi măng Portland thông thường, nhưng tỷ lệ khác nhau.
Thành phần hóa học đặc trưng của xỉ lò cao theo báo cáo của một số tác giả được đưa
ra trong Bảng 2.5:
16

Thành phần (%)
Tasong et al
Oner and akyuz
Hiu sheng et al
SiO
2

Al
2
O
3

Fe
2
O
3

–
–
1.30

Bảng 2.5 Thành phần hóa học của xỉ lò cao
2.3 MUỘI SILIC (Silicafume)
2.3.1 Tính chất vật lý
Hạt muội silic là rất nhỏ,với hơn 95% là các hạt siêu mịn nhỏ hơn 1μm. Tính
chất vật lý điển hình của nó được đưa ra trong Bảng 2.6:

Thuộc tính
Giá Trị
Cỡ hạt
Mật độ khối lượng được tạo ra
Hồ xi măng
Làm tăng thể độ rắn
Trọng lượng riêng
Diện tích toàn phần
< 1 µm
130 – 430 kg/m
3
1,320 – 1,440 kg/m
3
480 – 720 kg/m
3

2.22
13,000 – 30,000 m
2
/kg

Oxit
Sandvik and gjorv
Hooton and Titherington
Yazici
SiO
2

Al
2
O
3

Fe
2
O
3

CaO
MgO
K
2
O
Na
2
O
SO
3
LOI
92,1
0,5

Muội silic có dạng hình cầu, bề mặt trơn phẳng, kích thước trung bình của hạt
muội silic vào khoảng 0.1 – 0.2μm., tức là vào khoảng 151100 kích thước hạt xi măng
hoặc tro bay, tỷ diện bề mặt hạt μm. Vào khoảng từ 13000 – 25000m
2
/kg. Bột muội
silic có khối lượng đơn vị ở trạng thái đổ đống rất nhỏ, vào khoảng 0,15 – 0,2 tấn /m
3
2.3.4 Các đặc trưng lý hóa
Muội silic là sản phẩm phụ của công nghiệp luyện kim. Loại hợp kim sản xuất
trong lò nung là yếu tố cơ bản quyết định tính chất của vật liệu tạo thành ở các ống lọc.
Lò nung để sản xuất hợp kim sắt – silic với hàm lượng silic cao hơn 72% sẽ cho muội
silic có chất lượng tốt và thành phần rất đồng đều. Hơi ngưng tụ từ hợp kim Canxi
silic, sắt silic, mangan silic có đặc trưng vật lí tương tự nhau, nhưng thành phần hóa
học khác nhau cơ bản.
2.4 MÊTACAOLANH (Metakaolin)
2.4.1 Tính chất vật lý
Kích thước hạt mêtacaolanh rất nhỏ, với kích thước hạt trung bình khoảng 3µm
Mêtacaolanh có màu trắng xám Hình.2.4. Một số tính chất vật lý của mêtacaolanh
được đưa ra trong bảng 2.8. Hình ảnh chụp SEM của mẫu mêtacaolanh được hiển thị
trong Hình. 2.5


2.4.2 Thành phần hóa học
Thành phần chính của mêtacaolanh là silicatoxit (SiO
2
) và aluminatoxit(Al
2
O
3
).
Các thành phần khác bao gồm oxit sắt, oxitcanxi, magiêoxit, oxitkali Thành phần
hóa học đặc trưng của mêtacaolanh được đưa ra trong Bảng 2.9:

Thành phần (%)
Ambroise et al
Wild and khatib
Tafraoui et al
SiO
2

Al
2
O
3

Fe
2
O
3

CaO
MgO

35.14
1.21
1.15
0.20
1.05
0.03
–
0.07

Bảng 2.9 Thành phần hóa học của mêtacaolanh

20

Chương 3
ẢNH HƯỞNG CỦA PHỤ GIA KHOÁNG HOẠT TÍNH TỚI
QUÁ TRÌNH THỦY HÓA XI MĂNG
Quá trình thủy hóa của xi măng có bản chất là thủy hóa các thành phần pha
trong xi măng, để từ đó hình thành nên cường độ và phát triển cấu trúc của hồ xi
măng.
Sự có mặt của các loại phụ gia khoáng hoạt tính cũng có sức ảnh hưởng khá
lớn trong quá trình thủy hóa khi mà chúng cũng tham gia một phần trong quá trình
thủy hóa.
Ở chương này sẽ giới thiệu đến sự thủy hóa của hỗn hợp hồ xi măng khi có mặt
của một số loại phụ gia điển hình như Tro bay(FA), Xỉ lò cao(GGBFS), Muội
Silic(SF), Mêtacaolanh(MK). Để biết được rằng chúng đóng góp những vai trò gì
trong quá trình thủy hóa.
3.1 CLANHKE XI MĂNG VÀ QUÁ TRÌNH THỦY HÓA CỦA XI MĂNG
3.1.1 Clanhke xi măng
3.1.1.1 Khái niệm
Clanhke xi măng (Clinker) là sản phẩm được nung đến trạng thái kết khối


Tạp chất
MgO
SO
3

P
2
O
5

Mn
2
O
3

TiO
2

K
2
O + Na
2
O
Tỉ lệ (%)
1 – 5
0.1 – 2.5
0 – 1.5
0 – 3
0 – 0.5

20 – 30
Aluminat
Tricanxi
3CaO.Al
2
O
3

C
3
A
4 – 12
Feroaluminat
Tetracanxi
4CaO.Al
2
O
3
.Fe
2
O
3

C
4
AF
10 – 12
Khoáng ph
ụ
Aluminat

3
.Mn
2
O
30 – 3

Bảng 3.2 Thành phần khoáng của Clanhke – xi măng