ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI
TRƢỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN
---------------------

PHẠM THỊ CHỌN

NGHIÊN CỨU ẢNH HƢỞNG
CỦA PHỤ GIA HỖN HỢP TRO BAY – CMC
ĐẾN TÍNH CHẤT CỦA XI MĂNG
Chuyên ngành

: Hóa học vô cơ

Mã số

: 60440113

LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC

NGƢỜI HƢỚNG DẪN KHOA HỌC:
PGS.TS. NGHIÊM XUÂN THUNG

Hà Nội - 2014


MỤC LỤC
LỜI CẢM ƠN .................................................................................................................... i
MỤC LỤC ........................................................................................................................... i
MỞ ĐẦU............................................................................................................................. 1
Chƣơng 1 : TỔNG QUAN.............................................................................................. 2
1.1. Giới thiệu chung về xi măng pooclăng .............................................................. 2

1.4.3.5. Phụ gia chống ăn mòn cốt thép trong bêtông............................................ 14
1.4.3.6. Phụ gia tro bay .................................................................................................. 14
1.4.3.7. Phụ gia CMC..................................................................................................... 15
Chƣơng 2 : THỰC NGHIỆM VÀ CÁC PHƢƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU ... 17
2.1. Hóa chất và dụng cụ ............................................................................................... 17
2.1.1. Hóa chất ................................................................................................................. 17
2.1.2. Dụng cụ .................................................................................................................. 17
2.2. Xác định thành phần hoá học và độ hoạt tính của tro bay ............................ 17
2.2.1. Xác định thành phần pha của tro bay ............................................................ 17
2.2.2. Xác định hoạt tính của phụ gia tro bay ......................................................... 17
2.3. Nghiên cứu ảnh hƣởng của phụ gia đến tính chất của vữa xi măng Hoàng
Thạch.................................................................................................................................. 17
2.3.1. Chuẩn bị mẫu nghiên cứu.................................................................................. 17
2.3.2. Xác định độ dẻo của hồ xi măng ..................................................................... 18
2.3.2.1. Nguyên tắc ......................................................................................................... 18
2.3.2.2. Phƣơng pháp tiến hành ................................................................................... 18
2.3.3. Xác định lƣợng nƣớc tiêu chuẩn...................................................................... 19
2.3.4. Xác định thời gian đông kết .............................................................................. 20
2.3.4.1. Nguyên tắc ......................................................................................................... 20
2.3.4.2. Tiến hành thí nghiệm ...................................................................................... 20
2.3.5. Xác định cƣờng độ kháng nén.......................................................................... 21
ii


2.3.5.1. Quá trình tạo mẫu ............................................................................................ 21
2.3.5.2. Tiến hành thí nghiệm ...................................................................................... 22
2.3.6. Xác định độ hút nƣớc bão hòa ......................................................................... 24
2.3.6.1. Chuẩn bị mẫu .................................................................................................... 24
2.3.6.2. Tiến hành thí nghiệm ...................................................................................... 24
2.3.7. Phƣơng pháp XRD .............................................................................................. 25

Hình 3.10: Giản đồ XRD mẫu M5 – 7 ngày. ........... Error! Bookmark not defined.
Hình 3.11: Giản đồ XRD mẫu M5 – 28 ngày. ......... Error! Bookmark not defined.
Hình 3.12: Giản đồ XRD mẫu M5 – 56 ngày. ......... Error! Bookmark not defined.
Hình 3.13: Giản đồ XRD mẫu M9 – 7 ngày. ........... Error! Bookmark not defined.
Hình 3.14: Giản đồ XRD mẫu M9 – 28 ngày. ......... Error! Bookmark not defined.
Hình 3.15: Giản đồ XRD mẫu M9 – 56 ngày. ......... Error! Bookmark not defined.

iv


MỞ ĐẦU
Khi đất nƣớc ta đang trên đà hội nhập, xây dựng là một ngành đang đƣợc
quan tâm và phát triển mạnh mẽ. Bên cạnh đó, vật liệu xây dựng cũng đang đƣợc
dần nâng cao và phát triển. Trong đó, xi măng là vật liệu cơ bản và quan trọng
nhất. Cùng với việc phát triển nghành công nghiệp xi măng, vấn đề nâng cao
chất lƣợng bê tông và giảm giá thành sản phẩm cũng đang đƣợc chú trọng.
Để nâng cao chất lƣợng của xi măng và bê tông đã có rất nhiều công trình
nghiên cứu của các nhà khoa học trên thế giới cũng nhƣ trong nƣớc tìm ra các
giải pháp kỹ thuật, cũng nhƣ tìm ra các loại phụ gia để nâng cao chất lƣợng cho
các công trình xây dựng. Một trong những giải pháp thành công nhất là sử dụng
tổ hợp hai phụ gia khoáng hoạt tính và phụ gia siêu dẻo. Loại phụ gia tổ hợp này
có khả năng kéo dài thời gian ninh kết, chống độ sụt lún cho bê tông .v.v. Ngoài
ra, phụ gia này có sẵn trong tự nhiên nên nó góp phần làm giảm giá thành của
sản phẩm.
Mặt khác, hiện nay các nhà máy, nhiệt điện đốt than ở nƣớc ta thải ra môi
trƣờng một lƣợng lớn tro bay và xỉ lẫn nhiều tạp chất, điều này gây ảnh hƣởng
tới môi trƣờng.
Với những ƣu việt trên em chọn đề tài: Nghiên cứu ảnh hƣởng của phụ gia
hỗn hợp tro bay - CMC đến tính chất của xi măng.


Tỷ lệ % khối lƣợng

63- 67

4- 8

21- 22

2- 4

Ngoài ra còn có những tạp chất không mong muốn nhƣ MgO khoảng 14%, oxit kiềm 0.5- 3%...
1.2.3.Thành phần pha(6, 8, 10, 12).
Thành phần pha của clinker đƣợc trình bày ở bảng sau:
Bảng 1.2: Thành phần pha của clinker
Thành
phần pha
Tỷ lệ %

C3S
C2S
C3A
C4AF
(3CaO.SiO2) (2CaO.SiO2) (3CaO.Al2O3) (4CaO.Al2O3.Fe2O3)
37- 68
10- 37
5- 15
10 – 18
2




2(3CaO.SiO2) + 6H2O = 3CaO.SiO2.3H2O + 3Ca(OH)2
Phản ứng hydrat hóa của C3S tách ra Ca(OH)2. Hàm lƣợng C3S trong xi
măng chiếm tỷ lệ lớn nên lƣợng Ca(OH)2 tách ra khá lớn.
1.2.2. Sự hydrat hóa của C2S (Belit)
Phản ứng hydrat hóa của C2S tạo thành hydro silicat và một số lƣợng
Ca(OH)2,nhƣng lƣợng Ca(OH)2 tách ra ở phản ứng này ít hơn ở phản ứng thủy
hóa của C3S.
2(2CaO.SiO2 )+ 4H2O → 3CaO.SiO2.3H2O + Ca(OH)2
1.2.3. Sự hydrat hóa của C3A (canxi aluminat).
Sự tác dụng tƣơng hỗ giữa C3A và H2O sẽ sinh ra phản ứng và phát ra một
lƣợng nhiệt khá lớn theo phƣơng trình sau:
3CaO.Al2O3 + 6H2O → 3CaO. Al2O3.6H2O
Phản ứng phụ: khi trong xi măng Pooclăng có mặt của thạch cao sống thì
sẽ tác dụng với thành phần C3A và hình thành một khoáng vật mới gây trƣơng nở
thể tích theo phản ứng sau:
3CaO.Al2O3 + 3CaSO4.2H2O+ 26 H2O→ 3CaO. Al2O3. 3CaSO4.28H2O
1.2.4. Sự hydrat hóa của C4AF
Khi cho C4AF tác dụng với H2O trong điều kiện xi măng thủy hóa hoàn
toàn và hình thành một lƣợng vôi bão hòa thì phản ứng sẽ xảy ra trong điều kiện
nhiệt độ của môi trƣờng theo phƣơng trình phản ứng sau:
4CaO.Al2O3.Fe2O3 + 12H2O →3CaO. Al2O3.6H2O + CaO.Fe2O3.6H2O
1.3. Quá trình hình thành và tính chất cơ lý của đá xi măng (5, 7, 10, 11)
1.3.1. Định nghĩa ( 5, 7, 10)
Hỗn hợp bao gồm xi măng, cát và nƣớc gọi là vữa xi măng, sau một thời
gian hydrat hóa tạo thành một khối rắn chắc gọi là đá xi măng.
Quá trình hình thành đá xi măng (Cơ chế đông rắn của vữa):

4


*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 (5, 10, 11)
1.3.2.1. Độ mịn của xi măng
Là đại lƣợng biểu thị cho kích thƣớc của các hạt xi măng đƣợc thể hiện
bằng phần trăm còn lại trên sàng hay dƣới sàng có kích thƣớc lỗ nhất định. Có độ
mịn cao thì kích thƣớc hạt xi măng nhỏ diện tích tiếp xúc của các hạt xi măng
với nƣớc làm tăng nhanh quá trình thuỷ hoá của xi măng làm cho xi măng dễ tác
dụng với nƣớc, rắn chắc nhanh.
Độ mịn đƣợc xác định bằng hai cách :
+ Sàng bằng Rây N0088 (4900 lỗ/cm).
+ Đo độ mịn theo phƣơng pháp Blaine.
1.3.2.2.Lượng nước tiêu chuẩn
Là tỷ lệ nƣớc 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 nƣớc dƣ nhiều ảnh hƣởng nhiều đến tốc độ phát triển cƣờng độ, cho
cƣờng độ thấp vì tạo độ xốp trong đá xi măng.
Xi măng pooclăng thƣờng có lƣợng nƣớc tiêu chuẩn từ 24-30%.
1.3.2.3. Thời gian ninh kết của xi măng
Khi trộn xi măng với nƣớc 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 ninh kết:
+Thời gian bắt đầu ninh kết: Là thời gian từ khi bắt đầu trộn nƣớc đến
trƣớc khi vữa mất tính dẻo.
+Thời gian kết thúc ninh kết: Là thời gian từ khi trộn nƣớc đến khi vữa
cứng lại và có thể chịu lực.

6



mẫu thí nghiệm. Các yếu tố ảnh hƣởng đến cƣờng độ mẫu của mác xi măng, tỷ lệ
các khoáng trong xi măng, lƣợng nƣớc sử dụng, công nghệ chế tạo và chất lƣợng
thi công bêtông.
Muốn sản xuất bêtông có cƣờng độ kháng cao thì phải dùng lƣợng nƣớc ít
nhất để trộn vữa . Theo tác giả R.Feret thì công thức tính Rn để biễu diễn nhƣ sau:
Rn =K (X/N +N +A )2
Trong đó:
K: Hệ số tỷ lệ
N,X: Thể tích nƣớc 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 bêtông.
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
cƣờng độ của mẫu. Mặt khác nó cũng ảnh hƣởng 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 cƣờng độ của bêtông càng giảm.
Cƣờng độ của xi măng phát triển không đều: trong 3 ngày đầu có thể đạt
đƣợc 40-50% mác xi măng, 7 ngày đầu đạt đến 60-70 % . Trong những ngày sau
tốc độ tăng cƣờng độ còn chậm hơn nữa, đến 28 ngày đạt đƣợc mác. Tuy nhiên
trong những điều kiện thụân lợi thì sự rắn chắc của nó có thể kéo dài hàng tháng
và thậm chí hàng năm, vƣợt gấp 2-3 lần cƣờng độ 28 ngày. Có thể xem tốc độ
phát triển cƣờng độ trung bình của xi măng tuân theo quy luật Logarit đƣợc cho
bởi công thức:
R28 =Rn (lg28 /lgn)
R28 và Rn là cƣờng độ của đá xi măng ở tuổi 28 ngày và n ngày (n>3
ngày).

8

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 nhƣ
phải sử dụng một số loại phụ gia đặc biệt để giảm tỷ lệ nƣớc/xi măng, giảm tỷ lệ
lỗ trống, mao quản trong đá xi măng.
1.4. Vai trò của phụ gia xi măng (1, 2, 3, 13, 16, 18)
1.4.1. Định nghĩa về phụ gia xi măng (2, 3, 12, 13)
Theo tiêu chuẩn Việt Nam: Phụ gia của xi măng là các hợp chất hóa học
đƣợc thêm vào xi măng để cải thiện tính năng của bê tông.
Theo tiêu chuẩn Mỹ: Phụ gia xi măng là một vật liệu đƣợc sử dụng nhƣ
một nguyên liệu của bê tông mà ngoài xi măng, nƣớc, cốt liệu ra còn đƣợc cho
vào mẻ trộn hỗn hợp bê tông ngay trƣớc khi trộn và trong quá trình trộn.
1.4.2. Tính chất của phụ gia xi măng (2, 3, 12, 16)
*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 lƣợng nƣớc trộn.
+Làm chậm lại hoặc tăng nhanh quá trình liên kết ban đầu.
+Tạo khả năng chuyên chở bê tông tƣơi 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 cƣờng 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 cƣờng độ chịu nén, uốn, kéo.

10


+Tăng độ chống thấm.
+Làm chậm quá trình tỏa nhiệt hoặc giảm nhiệt lƣợng tỏa ra khi bê tông

caolanh…
Phụ gia hoạt tính puzơlan chứa nhiều oxit silic, oxit nhôm ở dạng vô định
hình có hoạt tính. Do đó mà puzơlan có những đặc tính tốt nhƣ sau:
+ Hạ thấp lƣợng nhiệt tỏa ra trong quá trình hydrat 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
nƣớc và trong đất có tính chất ăn mòn.
+ Trƣớc khi sử dụng thì puzơlan cần phải đƣợc gia nhiệt và nghiền mịn để
tăng hoạt tính. Tuy nhiên puzơlan có thể kéo dài thời gian đông kết, làm chậm sự
phát triển cƣờng độ bêtông ở tuổi ban đầu 3-7 ngày, nhƣng cuờng độ bêtông ở
tuổi 28 ngày vẫn đạt và thậm chí còn vƣợt bêtông không chứa puzơlan.
+ Giảm nhiệt thủy hóa nên thích hợp với bêtông khối lớn.
+ Giảm lƣợng nƣớc trộn hoặc tăng tính dễ đổ
Phụ gia trộn hỗn hợp hay có thể đƣợc nghiền riêng thành bột mịn để pha
vào bêtông và vữa trƣớc khi trộn. Xỉ hạt lò cao thƣờng đƣợc nghiền mịn hơn xi
măng, tỷ diện của nó lớn hơn 3500cm2/g, có khi tới 5000cm2/g, xỉ càng mịn hoạt
tính càng tăng.
1.4.3.2. Phụ gia siêu mịn
Phụ gia siêu mịn là loại phụ gia có kích thƣớc cấp hạt bé hơn rất nhiều so
với cấp hạt của xi măng. Nó có tác dụng lấp đầy các hốc trống trong bêtông, làm
tăng chất lƣợng bê tông.
Phụ gia siêu mịn có hai loại: siêu mịn trơ và siêu mịn hoạt tính.
*Phụ gia siêu mịn trơ: chỉ có tác dụng bịt kín, lấp đầy các lỗ trống, mao
quản, làm tăng độ chắc đặc và giảm độ thấm của bê tông. Một số phụ gia siêu
mịn trơ thƣờng dùng là CaCO3 siêu mịn, silic tinh thể.
*Phụ gia siêu mịn hoạt tính: là loại phụ gia vừa có cấp hạt bé hơn nhiều

12




lƣợng sử dụng phụ gia này trong bê tông cốt thép không quá 2%, không đƣợc sử
dụng chúng trong các kết cấu thành mỏng, dự ứng lực, làm việc ở điều kiện
không thuận lợi.
1.4.3.5. Phụ gia chống ăn mòn cốt thép trong bêtông
Để bảo vệ cốt thép chống lại các tác nhân ăn mòn ngƣời ta sử dụng nhiều
phƣơng pháp khác nhau nhƣ phủ cốt thép, tăng khả năng chống thấm cho bê
tông, tăng chiều dày lớp bêtông, dùng dòng điện ngoài… Một biện pháp thông
dụng nữa là sử dụng các phụ gia ức chế quá trình ăn mòn nhƣ canxi nitrit.
1.4.3.6. Phụ gia tro bay
Tro bay là một puzơlan nhân tạo lấy từ chất lắng đọng trong quá trình cháy
của than chƣa hết. Nó đƣợc thu lƣợm 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 chủ yếu là các hạt thủy tinh nhỏ hình cầu. Loại vật liệu này
một thời đã đƣợc coi là rác thải khó xử lí và khó phân hủy, nhƣng hiện nay nó
đƣợc coi là vật liệu có giá trị cao khi sử dụng kết hợp nhƣ là một phụ gia.
Tro bay thu đƣợc từ nhà máy tách khí xoáy có kích thƣớc hạt tƣơng đối
lớn, trong khi đó tro bay thu đƣợc từ tấm hút tĩnh điện thì khá mịn và có tỉ diện
bề mặt tƣơng đối lớn 3000-5000 cm2/g.
Vì vậy tro bay có cỡ hạt mịn hơn xi măng, thành phần chính là: SiO 2,
Al2O3, CaO, MgO, SO3 …. Các đặc trƣng quan trọng nhất trong việc sử dụng
phụ gia là hàm lƣợng cacbon phải thấp và SiO2 phải ở dạng bột mịn và rời rạc.
*Ƣu điểm của việc sử dụng tro bay:
+ Do kĩ thuật nghiền siêu mịn, mà lấp đầy các lỗ trống mao quản làm tăng
độ chắc đặc cho đá xi măng.
+ Khả năng hoạt tính của phụ gia đã làm giảm lƣợng Ca(OH)2 dễ hòa tan
trong xi măng và tạo thành gel C-S-H có khả năng rắn chắc:
2SiO2 + 3Ca(OH)2 = 3CaO.2SiO2.3H2O
14



Châu Âu

< 55

Việt Nam

10 – 40

1.4.3.7. Phụ gia CMC
CMC (carboxymethyl cellulose, một dẫn xuất của cellulose với acid
chloroacetic) là một polymer, là dẫn xuất cellulose với các nhóm carboxymethyl
(-CH2COOH) liên kết với một số nhóm hydroxyl của các glucopyranose
monomer tạo nên khung sƣờn cellulose, nó thƣờng đƣợc sử dụng dƣới dạng
muối natri carboxymethyl cellulose.
Dạng natri carboxymethyl cellulose có công thức phân tử là:
[C6H7O2(OH)x(OCH2COONa)y]n
Trong đó:n là mức độ trùng hợp. y là mức độ thay thế.
x = 1.50-2.80.

y = 0.20-1.50.

x + y = 3.0

Đơn vị cấu trúc với mức độ thay thế 0.20 là 178.14 đvC.
Đơn vị cấu trúc với mức độ thay thế 1.50 là 282.18 đvC.

15



+ Bay.
+ Kim vica.
+ Ép khuôn.
+Khuôn tạo mẫu 5cmx5cmx5cm.
+ Máy đo cƣờng độ kháng nén.
+ Máy phân tích nhiễu xạ tia X.
2.2. Xác định thành phần hoá học và độ hoạt tính của tro bay
2.2.1. Xác định thành phần pha của tro bay
Chuẩn bị mẫu tro bay đã đƣợc nghiền mịn.
2.2.2. Xác định hoạt tính của phụ gia tro bay
Mẫu tro bay đƣợc xác định bằng phƣơng pháp độ hút vôi theo phƣơng
pháp nhanh.
Phƣơng pháp xác định độ hút vôi là phƣơng pháp hóa học để xác định hoạt
tính của phụ gia khoáng hoạt tính. Cơ sở của phƣơng pháp là phản ứng của SiO2
hoạt tính với Ca(OH)2. Độ hút vôi đƣợc tính bằng số mgCaO hấp thụ trên 1 gam
phụ gia hoạt tính. Có hai phƣơng pháp xác định độ hút vôi là phƣơng pháp nhanh
và phƣơng pháp chậm.
17


Phương pháp nhanh:
Cân chính xác 1 gam mẫu đã sấy khô ở 1000C cho vào bình nón có nút
nhám sau đó cho vào bình 100ml dung dịch nƣớc vôi bão hòa, lắc đều trong 1
phút, đặt vào tủ sấy giữ ở nhiệt độ 100- 1100 C. 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 50ml nƣớc vôi bão hòa vào bình chứa mẫu lắc đều trong một phút, đặt vào
tủ sấy. Cứ nhƣ thế chuẩn độ khi nào đủ 15 lần thì thôi, cộng 15 lần này lại sẽ thu
đƣợc độ hút vôi của phụ gia và đƣa ra phân loại hoạt tính của phụ gia đó.
Số mg CaO do 1 gam phụ gia hút sau lần chuẩn thứ nhất là :


Từ 100-150 mg CaO /1g phụ gia hấp thụ

Độ hoạt tính rất mạnh

Từ >150 mg CaO /1g phụ gia hấp thụ

16


2.3. Nghiên cứu ảnh hƣởng của phụ gia đến tính chất của vữa xi măng
Hoàng Thạch.
+ Xác định độ dẻo của vữa xi măng.
+ Xác định thời gian bắt đầu đông kết và kết thúc đông kết.
+Xác định cƣờng độ kháng nén.
+Xác định độ hút nƣớc bão hòa.
+Xác định cấu trúc của vật liệu bằng phƣơng pháp SEM, XRD.
2.3.1. Chuẩn bị mẫu nghiên cứu
Mẫu đƣợc chuẩn bị với tỷ lệ phụ gia nhƣ bảng sau:
Bảng 2.2: Mẫu thí nghiệm
Mẫu

Thành phần Phụ gia

Thành phần phụ gia

Thành phần hỗn hợp

Tro bay


0.2

M-6

0.4

M-7

0.6

M-8

0.8

M-9

2+0.2

M-10

4+0.4

M-11

6+0.6

M-12

8+0.8