Tổng quan và tính chất của xi măng
Xi măng là vật liệu liên kết khoáng thủy lực. Khi trộn với nước, xi măng dạng bột có thể tạo ra hỗn hợp dẻo sẽ biến thành khối xi măng cứng và liên kết các vật liệu dạng hạt (hoặc khối) lại với nhau sau một loạt các tác động vật lý và hóa học.
*Vật liệu kết dính thủy lực là loại vật liệu có cấu trúc trở nên cứng hơn sau khi tiếp xúc với nước. Các ví dụ quan trọng nhất trong lĩnh vực xây dựng là: xi măng, tro bay.
Xi măng là một trong những nguyên vật liệu quan trọng trong ngành xây dựng. Xi măng là thành phần cơ bản của bê tông, bê tông cốt thép thường được sử dụng trong xây dựng, giao thông, thủy lợi, điện, quốc phòng và các dự án xây dựng khác.
Theo tiêu chuẩn quốc gia về tên gọi xi măng, xi măng có thể được đặt tên theo khoáng vật thủy lực chính như: xi măng Portland, xi măng aluminate, xi măng sulphate và xi măng sulpho-aluminate, xi măng phosphate
Trong đó, loại xi măng được sử dụng phổ biến nhất là xi măng Portland (bao gồm xi măng Portland, xi măng Portland lò cao, xi măng Portland puzolan, xi măng Portland tro bay và xi măng Portland composite).
Trong công nghiệp, xi măng được sản xuất bằng cách nung đá vôi với một lượng nhỏ các vật liệu khác như quặng, đất sét hoặc cát đến 1450 °C trong lò nung. Sản phẩm của quá trình này được gọi là ‘Clinker’, sau đó được nghiền với một lượng nhỏ thạch cao thành bột để sản xuất xi măng Portland. Ứng dụng phổ biến nhất của với xi măng Portland là sản xuất bê tông – một vật liệu tổng hợp bao gồm xi măng, cốt liệu (sỏi và cát) và nước.
Các yếu tố chính ảnh hưởng đến quá trình ninh kết và đông cứng của xi măng Portland
Tỉ lệ và thành phần khoáng của xi măng
Là những yếu tố chính ảnh hưởng đến quá trình ninh kết và đông cứng của xi măng. Các thành phần khoáng chất khác nhau sẽ tiết lộ các đặc tính khác nhau của xi măng khi tiếp xúc với nước. Ví dụ, tăng khoáng Calcium Aluminate (C3A) có thể tăng tốc độ ninh kết và đông cứng của xi măng, đồng thời có nhiệt hydrat hóa cao.
Hàm lượng thạch cao được trộn
Thạch cao là thành phần không thể thiếu được sử dụng để điều chỉnh thời gian ninh kết của xi măng. Nếu không có thạch cao, clinker có thể đông cứng ngay lập tức khi tiếp xúc với nước và giải phóng nhiệt. Nguyên nhân chính là C3A trong clinker có thể hòa tan nhanh trong nước tạo ra Calcium Aluminate Hydrate, một chất keo tụ, làm mất tác dụng thông thường của xi măng.
Khi có thạch cao trong hỗn hợp, khi xi măng tiếp xúc với nước, thạch cao phản ứng nhanh với C3A để tạo ra Calcium Sulfoaluminate Hydrate (Ettringite), chất này sẽ lắng đọng và tạo thành một lớp màng bảo vệ trên các hạt xi măng để cản trở quá trình hydrat hóa của C3A và làm chậm thời gian ninh kết của xi măng.
Nếu hàm lượng thạch cao quá ít, sự ảnh hưởng làm chậm quá trình ninh kết sẽ không rõ ràng. Quá nhiều thạch cao sẽ đẩy nhanh quá trình ninh kết của xi măng vì thạch cao có thể tự tạo ra chất đông tụ. Lượng thạch cao thích hợp phụ thuộc vào hàm lượng C3A trong xi măng và SO3 trong thạch cao, đồng thời còn liên quan đến độ mịn của xi măng và hàm lượng SO3 trong clinker.
Lượng thạch cao nên chiếm 3-5% khối lượng xi măng. Nếu hàm lượng thạch cao vượt quá giới hạn cho phép sẽ làm giảm cường độ của xi măng, thậm chí có thể dẫn đến kém ổn định kích thước hạt của xi măng, gây ra hiện tượng phá hủy hồ xi măng.
Kích thước hạt của xi măng
Kích thước hạt của xi măng ảnh hưởng trực tiếp đến chất lượng xi măng thành phẩm bao gồm quá trình hydrat hóa, ninh kết và đông cứng, cường độ và nhiệt thủy hóa. Các hạt xi măng càng mịn thì tổng diện tích bề mặt càng lớn và diện tích tiếp xúc với nước càng lớn. Do đó, quá trình hydrat hóa sẽ diễn ra nhanh chóng, quá trình ninh kết và đông cứng sẽ được tăng tốc tương ứng, và cường độ ban đầu sẽ cao. Tuy nhiên, nếu các hạt xi măng quá nhỏ, chúng rất dễ phản ứng với nước và Calcium Dioxide trong không khí sẽ phá hủy lớp bảo vệ hạt xi măng. Nếu xi măng quá mịn, độ co rút của nó sẽ lớn trong quá trình đông cứng. Như vậy, xi măng được nghiền càng mịn thì năng lượng hao hụt càng nhiều và giá thành càng cao. Thông thường, cỡ hạt của các hạt xi măng nằm trong khoảng 7 – 200 µm (0,007 – 0,2mm).
Điều kiện môi trường
Nhiệt độ và độ ẩm ảnh hưởng đến quá trình thủy hóa, ninh kết và đông cứng của xi măng. Nếu độ ẩm của môi trường quá thấp, nước trong xi măng sẽ bốc hơi dẫn đến không đủ nước và ngừng đông cứng làm xuất hiện các vết nứt.
Thông thường, nhiệt độ tăng lên vào thời điểm đóng rắn, và quá trình thủy hóa của xi măng và sự phát triển cường độ ban đầu trở nên nhanh chóng. Nhưng nếu nhiệt độ dưới 0 °C, quá trình thủy hóa của xi măng sẽ ngừng lại và cường độ xi măng không những ngừng phát triển mà còn phá hủy cấu trúc của hồ xi măng do ngưng tụ nước.
*cường độ xi măng: bao gồm cường độ nén và cường độ uốn của xi măng.
Thời gian bảo dưỡng
Quá trình thủy hóa và đông cứng của xi măng là một quá trình liên tục trong một thời gian dài. Với sự gia tăng mức độ ngậm nước của các loại khoáng clinker khác nhau trong các hạt xi măng, gel sẽ phát triển và độ xốp mao dẫn sẽ giảm, điều này cho phép cường độ tăng lên theo thời gian.
Hàm lượng nước
Hàm lượng nước sẽ làm tăng độ xốp mao dẫn, giảm cường độ của hồ xi măng và kéo dài thời gian ninh kết nếu lượng xi măng tiêu thụ không đổi. Vì vậy, trong các công trình thực tế, lượng nước và xi măng sẽ bị thay đổi mà không làm thay đổi tỷ lệ xi măng nước (lượng xi măng tối thiểu được quy định để đảm bảo độ bền của bê tông) khi điều chỉnh độ lỏng của bê tông xi măng.
Ảnh hưởng của chất phụ gia
Quá trình thủy hóa, ninh kết và đông cứng của xi măng Portland bị hạn chế bởi C3S, C3A. Và tất cả các loại phụ gia ảnh hưởng đến quá trình thủy hóa của C3S, C3A đều có thể làm thay đổi tính năng thủy hóa, đông kết và đông cứng của xi măng Portland.
Quá trình bảo quản
Nếu quá trình bảo quản xi măng không đảm bảo sẽ khiến xi măng bị ẩm. Khi bảo quản trong khoảng thời gian dài, độ ẩm cao, các hạt xi măng bị kết tụ lại do hydrat hóa, do tác động của nước và CO2 trong không khí.
Các kỹ thuật đo kích thước hạt của xi măng
Theo nguyên tắc chung, việc giảm kích thước hạt của xi măng sẽ làm tăng tốc độ hydrat hóa và độ bền. Mặt khác, xi măng nghiền thành kích thước nhỏ hơn làm tăng chi phí năng lượng, tạo ra nhu cầu đặc biệt quan trọng đối với việc đo lường và kiểm soát kích thước sản phẩm cuối cùng.
Phân tích và kiểm soát sự phân bố kích thước hạt của xi măng là rất quan trọng để giúp sản phẩm có được đặc tính mong muốn và kiểm soát chi phí sản xuất. Các kỹ thuật xác định diện tích bề mặt và kích thước hạt của xi măng bao gồm sàng và kiểm tra độ thoáng khí Blaine vẫn được sử dụng, nhưng máy đo kích thước hạt nano sử dụng phương pháp nhiễu xạ laser đang trở thành một phương pháp phổ biến để xác định sự phân bố cỡ hạt của xi măng.
Kỹ thuật nhiễu xạ laser cho phép đo mẫu nhanh chóng, dễ dàng, có thể tái tạo và cung cấp một bức tranh hoàn chỉnh về phân bố kích thước đầy đủ.
Phân tích cỡ hạt và phân bố cỡ hạt với máy phân tích kích thước hạt tán xạ laser (SLS)
Xi măng Portland – NIST (SRM) 114q, được phân tích và so sánh vì vật liệu có thành phần hóa học, tính chất vật lý rõ ràng và sẵn có để mua thương mại. Xi măng Portland được sử dụng làm tiêu chuẩn để hiệu chuẩn thiết bị kiểm tra độ mịn theo tiêu chuẩn của ASTM.
Phép đo thực hiện với máy đo kích thước hạt bằng tia laser, đo ở dạng bột khô phân tán trong không khí hoặc ở dạng huyền phù phân tán trong cồn (thường là isopropanol).
Máy đo kích thước hạt bằng tia laser HORIBA Partica LA-960 được sử dụng để đo mẫu xi măng khô. Do tính chất cứng và bền của vật liệu, tất cả các phép đo đều thực hiện ở áp suất không khí cao nhất, sử dụng Bộ cấp liệu khô PowderJet. PowderJet là phụ kiện optional, giúp kiểm soát tốc độ rung của mẫu xi măng.
Các kết quả đo mẫu ướt được thu thập trên cả máy đo kích thước hạt bằng tia laser LA-960 và LA-350. LA-960 có dải kích thước rộng hơn (0,01-5000 μm) so với LA-350 (0,1-1000 μm). Cả hai hệ thống đều phù hợp để đo mẫu xi măng, vì hầu hết các mẫu xi măng (bao gồm các mẫu được phân tích bên dưới) đều chứa ít hoặc không có bột dưới 0,1 μm. Tất cả các phép đo được thực hiện trong dung môi isopropanol (IPA).
Kết quả từ ba lần đo xi măng NIST SRM 114q được đo trên máy khô LA-960 PowderJet được thể hiện trong Hình 1 và Bảng 1 bên dưới. Kết quả thu được với hệ số biến thiên thấp hơn nhiều so với hệ số được đề xuất trong ISO 13320-1.
Kết quả đo mẫu xi măng được đo ướt trong IPA bằng LA-960 thể hiện ở Hình 2 và Bảng 2.
Máy đo kích thước hạt bằng tia laser LA-350 đo mẫu ở dạng huyền phù với ưu điểm là kích thước thiết bị nhỏ hơn, di động hơn và giá cả phải chăng. Các kết quả cho thấy độ lặp lại tuyệt vời và phù hợp tốt với PSD tham chiếu NIST SRM 114q.
Như đã thấy, kết quả LA-960 nằm trong phạm vi chấp nhận được.
Kỹ thuật nhiễu xạ laser là một phương pháp tốt và được ưa chuộng để phân tích kích thước hạt của xi măng. Mặc dù cả phương pháp phân tán ướt và khô đều mang lại kết quả phân tích chính xác, nhưng việc đo mẫu khô cho phép mẫu được giữ nguyên ở trạng thái ban đầu và loại bỏ nhu cầu sử dụng IPA/chất phân tán.
Cả máy đo kích thước hạt tán xạ laser HORIBA LA-960 và LA-350 đều đáp ứng được nhu cầu nghiên cứu và kiểm soát chất lượng xi măng. Bên cạnh đó, máy đo kích thước hạt HORIBA còn được ứng dụng trong ngành năng lượng, pin, ô tô, thực phẩm và dược phẩm. (Chi tiết về các ứng dụng tại xem tại đây.)
Máy đo kích thước hạt bằng tia laser – tán xạ ánh sáng tĩnh SLS
Hệ phân tích hạt tiên tiến của HORIBA
Máy phân tích kích thước hạt tán xạ Laser LA-960V2 HORIBA
- Thiết kế quang học cải tiến
- Tự động căn chỉnh nguồn laser nhanh. Phạm vi góc đo lớn cho độ phân giải tín hiệu tốt.
- Thiết bị tán xạ laser ổn định
- Thời gian đo mẫu lỏng nhanh, hệ thống phân tán mạnh và đơn giản.
- Đo khô phân tán bột tự động
Máy phân tích kích thước hạt tán xạ Laser LA-350 Horiba
- Kích thước nhỏ gọn
- Phân tích nhanh
- Phần mềm đầy đủ tính năng
- Dễ sử dụng: Với tính năng căn chỉnh tự động, hệ thống siêu âm tích hợp để phân tán mẫu và hệ thống bơm mạnh mẽ, kết hợp với các tính năng tự động hóa của phần mềm.
Nguồn tham khảo:
- 2011, Woodhead Publishing Series in Civil and Structural Engineering, 4
- Horiba Scientific, Application Note Organic – cement – AN159
Tìm hiểu thêm về các ứng dụng nổi bật khác của thiết bị phân tích kích thước hạt HORIBA tại đây>>>
- 12 ứng dụng phổ biến của máy đo kích thước hạt HORIBA>>>
- Ứng dụng của máy đo cỡ hạt HORIBA trong quá trình đồng hóa sữa >>>
- Ứng dụng đo kích thước hạt bột cà phê hòa tan>>>
- Ứng dụng của máy đo kích thước hạt HORIBA trong sản xuất socola – bột cacao>>>
- Phương pháp bảo quản trái cây an toàn và hiệu quả>>>
- Phương pháp đo kích thước hạt đường, các loại đường mới >>>
- Phân tích kích thước hạt trong pigment – hạt màu với máy phân tích kích thước hạt >>>
REDLAB – FOR YOUR LABORATORY
Công ty TNHH Redlab là đối tác đáng tin cậy cho phòng LAB của bạn, chúng tôi cung cấp:
- Thiết bị và vật tư tiêu hao
- Tư vấn, thiết kế và lắp đặt nội thất phòng thí nghiệm
- Dịch vụ sửa chữa – bảo trì – bảo dưỡng thiết bị
Mời bạn xem thông tin sản phẩm và đặt hàng các thiết bị tại cửa hàng trực tuyến của RedLAB tại đây: online-store.redlab.com.vn hoặc tham khảo thêm các sản phẩm thiết bị phòng thí nghiệm khác trên website: redlab.com.vn
Để được tư vấn sản phẩm, mời bạn liên hệ HOTLINE: 0889 973 944.