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

PHẠM THỊ CHỌN

NGHIÊN CỨU ẢNH HƯỞNG
CỦA PHỤ GIA HỖN HỢP TRO BAY - CMC
ĐẾN TÍNH CHẤT CỦA XI MĂNG

LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC

Hà Nội - 2014


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

PHẠM THỊ CHỌN

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

: Hóa học vô cơ

Mã số

: 60440113

1.1.2.2.Thành phần hóa học ....................................................................................... 2
1.2.3.Thành phần pha................................................................................................... 2
1.2. Phản ứng thủy hóa của xi măng)........................................................................ 3
1.2.1. Sự hydrat hóa của C3S (alit) ............................................................................ 3
1.2.2. Sự hydrat hóa của C2S (Belit) ......................................................................... 4
1.2.3. Sự hydrat hóa của C3A (canxi aluminat). ..................................................... 4
1.2.4. Sự hydrat hóa của C4AF ................................................................................... 4
1.3. Quá trình hình thành và tính chất cơ lý của đá xi măng ......................................... 4
1.3.1. Định nghĩa ......................................................................................................... 4
1.3.2. Các tính chất cơ lý của xi măng ..................................................................... 6
1.3.2.1. Độ mịn của xi măng ...................................................................................... 6
1.3.2.2.Lượng nước tiêu chuẩn .................................................................................. 6
1.3.2.3. Thời gian ninh kết của xi măng ................................................................... 6
1.3.2.4. Độ ổn định thể tích của đá xi măng ............................................................ 7
1.3.2.5. Cường độ của xi măng (hay mác xi măng) ............................................... 7
1.3.2.6. Độ rỗng đá xi măng ....................................................................................... 9
1.4. Vai trò của phụ gia xi măng ............................................................................. 10
1.4.1. Định nghĩa về phụ gia xi măng ................................................................... 10
ii


1.4.2. Tính chất của phụ gia xi măng ..................................................................... 10
1.4.3. Một số loại phụ thường được sử dụng ........................................................ 11
1.4.3.1. Phụ gia hoạt tính puzơlan ........................................................................... 11
1.4.3.2. Phụ gia siêu mịn ........................................................................................... 12
1.4.3.3. Phụ gia hóa dẻo ............................................................................................ 13
1.4.3.4. Phụ gia đóng rắn nhanh............................................................................... 13
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

3.2. Độ hoạt tính của tro bay ................................................................................... 29
3.3. Kết quả thí nghiệm xác định lượng nước tiêu chuẩn ................................... 30
3.4. Kết quả xác định thời gian đông kết................................................................ 34
3.5. Kết quả thí nghiệm xác định cường độ kháng nén ....................................... 35
3.6. Xác định độ hút nước bão hòa.......................................................................... 39
3.7. Kết quả phân tích mẫu bằng phương pháp XRD .......................................... 43
3.8. Kết quả phân tích mẫu bằng phương pháp kính hiển vi điện tử quét
(SEM) ........................................................................................................................... 45
KẾT LUẬN CHUNG ................................................................................................ 47
TÀI LIỆU THAM KHẢO ........................................................................................ 48
PHỤ LỤC..................................................................................................................... 50

iv


DANH MỤC BẢNG
Bảng 1.1: Thành phần hóa học của clinker: ............................................................ 2
Bảng 2.1: Phân loại hoạt tính của phụ gia theo độ hút vôi ................................. 16
Bảng 2.2: Mẫu thí nghiệm ........................................................................................ 17
Bảng 2.3: Mẫu xác định cường độ kháng nén ....................................................... 22
Bảng 3.1: Thành phần hoá học của tro bay: .......................................................... 29
Bảng 3.2: Độ hút vôi của phụ gia tro bay .............................................................. 29
Bảng 3.3: Lượng nước tiêu chuẩn của mẫu chứa phụ gia tro bay ..................... 30
Bảng 3.5: Lượng nước tiêu chuẩn của mẫu phụ gia hỗn hợp ............................. 32
Bảng 3.4: Lượng nước tiêu chuẩn của mẫu chứa phụ gia CMC ........................ 31
Bảng 3.6: Thời gian bắt đầu và kết thúc đông kết ................................................ 34
Bảng 3.7: Cường độ kháng nén của mẫu chứa phụ gia tro bay ......................... 36
Bảng 3.8: Cường độ kháng nén của mẫu chứa phụ gia CMC ............................ 36
Bảng 3.9: Cường độ kháng nén của mẫu chứa phụ gia hỗn hợp tro bay +CMC
........................................................................................................................................ 37

Hình 3.4: Ảnh chụp vi cấu trúc bề mặt mẫu được phóng to của mẫu ............. 46
M-9 ở 28 ngày. ............................................................................................................ 46
Hình 3.5: Giản đồ XRD mẫu M0 – 7 ngày. ........................................................... 50
Hình 3.6: Giản đồ XRD mẫu M0 – 56 ngày. ......................................................... 51
Hình 3.7: Giản đồ XRD mẫu M1 – 7 ngày. ........................................................... 52
Hình 3.8: Giản đồ XRD mẫu M1 – 28 ngày. ......................................................... 53
Hình 3.9: Giản đồ XRD mẫu M1 – 56 ngày. ......................................................... 54
Hình 3.10: Giản đồ XRD mẫu M5 – 7 ngày.......................................................... 55
Hình 3.11: Giản đồ XRD mẫu M5 – 28 ngày. ...................................................... 56
Hình 3.12: Giản đồ XRD mẫu M5 – 56 ngày. ...................................................... 57
Hình 3.13: Giản đồ XRD mẫu M9 – 7 ngày.......................................................... 58
Hình 3.14: Giản đồ XRD mẫu M9 – 28 ngày. ...................................................... 59
Hình 3.15: Giản đồ XRD mẫu M9 – 56 ngày. ...................................................... 60

vii


MỞ ĐẦU
Khi đất nước ta đang trên đà hội nhập, xây dựng là một ngành đang được
quan tâm và phát triển mạnh mẽ. Bên cạnh đó, vật liệu xây dựng cũng đang được
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 lượng bê tông và giảm giá thành sản phẩm cũng đang được chú trọng.
Để nâng cao chất lượng của xi măng và bê tông đã có rất nhiều công trình
nghiên cứu của các nhà khoa học trên thế giới cũng như trong nước tìm ra các
giải pháp kỹ thuật, cũng như tìm ra các loại phụ gia để nâng cao chất lượng 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


Al2O3

SiO2

Fe2O3

Tỷ lệ % khối lượng

63- 67

4- 8

21- 22

2- 4

Ngoài ra còn có những tạp chất không mong muốn như MgO khoảng 14%, oxit kiềm 0.5- 3%...
1.2.3.Thành phần pha(6, 8, 10, 12).
Thành phần pha của clinker được 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)

dần ra để cung cấp các ion Ca2+, OH-, H2SiO42- vào dung dịch. Dần dần dung
dịch trở nên quá bão hòa Ca(OH)2 và pha rắn này bắt đầu kết tủa gọi là pha
pooclandit. 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 1 đến
1.5 năm và có thể viết như sau:
3


2(3CaO.SiO2) + 6H2O = 3CaO.SiO2.3H2O + 3Ca(OH)2
Phản ứng hydrat 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 hydrat hóa của C2S (Belit)
Phản ứng hydrat hóa của C2S tạo thành hydro 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.SiO2.3H2O + Ca(OH)2

1.2.3. Sự hydrat hóa của C3A (canxi aluminat).
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 Pooclăng 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 + 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 lượng vôi bão hòa thì phản ứng sẽ xảy ra trong điều kiện

*Giai đoạn 3: Do nồng độ SO42- quá nhỏ, khả năng tạo lớp keo giả bền và
ettringit không 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 hydrat hóa.

5


*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 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. 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 :
+ Sàng bằng Rây N0088 (4900 lỗ/cm).
+ 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 măng.
Xi măng pooclăng thường có lượng nước tiêu chuẩn từ 24-30%.
1.3.2.3. Thời gian ninh kết của xi măng

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 khoáng uốn (Ru), cường độ kháng kéo (Rk) của các
7


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 bêtông.
Muốn sản xuất bêtông có cường độ kháng 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 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
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 bêtông 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

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 hydrat hóa, Ca(OH)2, các hydrat của silicat, aluminat
và hệ thống các lỗ trống, mao quản có kích thước khác nhau. Tính thấm của đá xi
9


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, 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
được thêm vào xi măng để cải thiện tính năng của bê tông.
Theo tiêu chuẩn Mỹ: Phụ gia xi măng là một vật liệu được sử dụng như
một nguyên liệu của bê tông mà ngoài xi măng, nước, cốt liệu ra còn được cho
vào mẻ trộn hỗn hợp bê tông ngay trước 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 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.

quan trọng nhất.
Căn cứ vào nguồn gốc tạo thành, Phụ gia hoạt tính puzơlan được chia
thành hai loại phụ gia nguồn gốc thiên nhiên và phụ gia nguồn gốc nhân tạo.
Puzơlan thiên nhiên bao gồm: đất điatomit, đá phiến sét, tuyp và tro núi
lửa, đá bọt, đá bazan…

11


Pulơzan nhân tạo như: tro bay, tro trấu, xỉ lò cao, silicafum, sisex, meta
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 như sau:
+ Hạ thấp lượng 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
nước và trong đất có tính chất ăn mòn.
+ Trước khi sử dụng thì puzơlan cần phải được 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 cường độ bêtông ở tuổi ban đầu 3-7 ngày, nhưng cuờng độ bêtông ở
tuổi 28 ngày vẫn đạt và thậm chí còn vượt bêtông không chứa puzơlan.
+ Giảm nhiệt thủy hóa nên thích hợp với bêtông 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 bêtông và vữa trước khi trộn. Xỉ hạt lò cao thường được 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 thước 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

nhập với sản phẩm hydrat hóa tạo thành khối bêtông chắc đặc.
1.4.3.4. Phụ gia đóng rắn nhanh
Hỗn hợp nitrit, canxi clorua (CaCl2), natri clorua((NaCl), các muối này khi
tan phân li ra các cation và anion thúc đẩy đóng rắn của xi măng và khả năng ức
chế ăn mòn của canxi nitrit nên làm giảm một phần ăn mòn trong cốt thép.
Canxi clorua (CaCl2) là phụ gia có tác dụng mạnh nhất trong các loại phụ
gia đông rắn nhanh. Loại này có chứa clo (Cl-) ăn mòn cốt thép. Vì vậy liều

13


lượng sử dụng phụ gia này trong bê tông cốt thép không quá 2%, không được 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 người ta sử dụng nhiều
phương pháp khác nhau như 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 như 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 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 chủ yếu 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 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,


15 –50

Hàn Quốc

5 – 30

Nhật Bản

5 – 30

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 sườn cellulose, nó thường được sử dụng dưới 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.