Hóa học đằng sau xi măng

Xi măng nói chung là chất kết dính các loại, nhưng theo nghĩa hẹp hơn là vật liệu kết dính dùng trong xây dựng các công trình xây dựng và dân dụng. Xi măng loại này là bột được nghiền mịn, khi trộn với nước sẽ tạo thành một khối cứng. 

Quá trình đông kết và đông cứng là kết quả của quá trình hydrat hóa, là sự kết hợp hóa học giữa các hợp chất xi măng với nước tạo ra các tinh thể siêu nhỏ hoặc vật liệu dạng gel có diện tích bề mặt cao. 

Do đặc tính ngậm nước của chúng, xi măng xây dựng, thậm chí sẽ đóng rắn và cứng lại dưới nước, thường được gọi là xi măng thủy lực. Điều quan trọng nhất trong số này là xi măng poóc lăng. Vì thế trong bài viết lần này, chúng ta sẽ tìm hiểu về hóa học đằng sau của xi măng poóc lăng để hiểu rõ hơn nhé!

Xi măng là gì?

Xi măng – là “chất keo” kết dính bê tông với nhau – là một loại bột mịn được tạo thành từ các khoáng chất nghiền nhỏ như đá vôi và đất sét có chức năng như một chất kết dính. 

Xi măng có thể được làm từ nhiều loại vật liệu khác nhau, nhưng nó không thể tự sử dụng được. Trên thực tế, xi măng La Mã là đá được nghiền nhỏ với vôi nung, tro núi lửa và gạch bổ sung. 

Ngày nay, xi măng poóc lăng là loại xi măng phổ biến nhất được sử dụng và là một trong những vật liệu có chi phí thấp nhất trên thế giới do sự sẵn có rộng rãi của đá vôi và đá phiến.

Có năm loại xi măng poóc lăng với các tính năng sau:

  1. Xi măng loại I tốt cho các mục đích chung khi không yêu cầu các tính chất đặc biệt.
  2. Loại II có độ bền sunfat trung bình và chiếm phần lớn xi măng được bán ở Bắc Mỹ .
  3. Xi măng loại III có cường độ sớm tương đối cao có nghĩa là nó đạt được cường độ nhanh hơn loại I, cho phép loại bỏ các dạng sớm hơn.
  4. Loại IV có nhiệt độ hydrat hóa thấp và được sử dụng trong các công trình xây dựng lớn. Nó phát triển cường độ với tốc độ chậm hơn so với các loại xi măng khác.
  5. Xi măng loại V chỉ được sử dụng cho các trường hợp kháng sunfat nghiêm trọng vì nó phát triển cường độ với tốc độ chậm hơn các loại xi măng khác.

Bước đầu tiên trong quá trình sản xuất xi măng là khai thác đá vôi (và các vật liệu khác) từ mỏ đá bằng cách cho nổ. Các vật liệu được giảm kích thước và sau đó được vận chuyển đến nhà máy để xử lý. 

Sau đó, các vật liệu khác như cát, đất sét, đá phiến sét, quặng sắt, thạch cao và khoáng chất được nghiền với đá vôi để tạo ra bột thô có kích thước và hóa học đồng nhất.

Bột thô sau đó được chế biến trong lò nung vượt quá 2.642 độ F hoặc 1.450 độ C (nóng hơn cả dung nham nóng chảy khi nó phun trào từ núi lửa!). 

Lò xi măng quay, chiếm hơn 95% sản lượng xi măng thế giới, về cơ bản là một ống dài có thể có đường kính 12 feet và dài tới 300 feet tùy thuộc vào công suất sản xuất của nhà máy.

Xử lý bột thô trong lò nung cho phép một số thay đổi cấu trúc và phản ứng hóa học diễn ra và hình thành các hợp chất mới góp phần vào độ bền của xi măng. 

Các khối nóng trắng xuất hiện từ lò nung được gọi là “clinker” và được làm mát bằng không khí. “Clinker” được nghiền trong máy nghiền đến kích thước và cường độ mong muốn. 

Phòng thí nghiệm thu thập mẫu và kiểm tra độ mịn, độ đặc, độ bền và nhiệt của quá trình hydrat hóa trong số các thuộc tính khác.

Do nhiệt độ yêu cầu cao trong lò nung, than đá, khí đốt tự nhiên, dầu nhiên liệu và than cốc thường được sử dụng để nung chảy. 

Tuy nhiên, với việc thúc đẩy sản xuất bền vững hơn, các nhà điều hành nhà máy thường xuyên bổ sung các vật liệu tái chế vào nhiên liệu của họ như tràn bãi rác, chất thải lò mổ, nhựa, v.v. Một ví dụ khác là lốp xe có thể khó vứt bỏ.

Bây giờ “clinker” đã nguội và nó được nghiền thành bột xi măng mịn, nó được bán với số lượng lớn, đóng bao hoặc vận chuyển đến nhà máy, nơi nó được trộn với các thành phần khác để tạo thành bê tông hoặc vữa.

Xem video sau đây hiểu rõ hơn về quá trình sản xuất xi măng nhé!

YouTube video

Xi măng poóc lăng

Đôi nét

Xi măng poóc lăng được cấp bằng sáng chế ở Anh vào năm 1824 bởi Joseph Aspden và được đặt tên là Portland (hay poóc lăng) vì khi nó cứng lại nhắc nhở anh ta về đá từ Đảo Portland.

Trước khi có bằng sáng chế của Aspden, các thành phần hỗn hợp được sử dụng trong xi măng được giữ bí mật. Xi măng pooclăng không được đưa vào Hoa Kỳ cho đến năm 1871.

Hóa chất làm xi măng bao gồm hai bước riêng biệt: (i) đông kết, quá trình thay đổi độ dẻo (khả năng tạo hình hoặc tạo khuôn) của xi măng đến độ cứng, và (ii) cứng lại, sự phát triển của cường độ.

Nếu xi măng đông kết quá nhanh, công nhân kinh nghiệm khó khăn trong việc đưa vật liệu vào đúng chỗ. Thêm thạch cao, CaSO4, vào xi măng poóc lăng kéo dài thời gian dẻo.

Các hợp chất quan trọng nhất có trong xi măng là: 3CaO.Al2O3, tricalcium aluminat; 3CaO.SiO2, tricalcium silicat; 2CaO.SiO2, dicalcium silicate; và CaO, canxi oxit. 2CaO.SiO2 phản ứng chậm với nước tạo ra Ca(OH)2 và H2SiO3.

Phản ứng này không chỉ giúp giữ vật liệu lại với nhau mà còn làm cho bê tông ít thấm nước. Quá trình cứng một phần là do quá trình hydrat hóa của các hợp chất có mặt và có lẽ là bị ảnh hưởng bởi sự kết tinh của các hyđrat này.

Về cơ bản, xi măng là một ma trận liên kết ngang được polyme hóa cao. Cả quá trình sắp đặt và đông cứng đều cần sự hiện diện của nước, nhưng không phải của không khí.

Các hợp chất được hình thành khi xi măng đông cứng lại thành bê tông không hòa tan trong nước, đó là lý do tại sao xi măng có thể đông cứng dưới nước.

Khái niệm chung

Xi măng poóc lăng là chất kết dính rắn trong nước, chứa khoảng 70 – 80% silicat canxi nên còn có tên gọi là xi măng silicat. Nó là sản phẩm nghiền mịn của clinke với phụ gia đá thạch cao (3 – 5%).

Đá thạch cao có tác dụng điều chỉnh tốc độ đông kết của xi măng để phù hợp với thời gian thi công.

Clinke thường ở dạng hạt có đường kính 10-40 mm được sản xuất bằng cách nung hỗn hợp đá vôi, đất sét và quặng sắt đã nghiền mịn đến nhiệt độ kết khối (khoảng 1450oC).

Chất lượng clinke phụ thuộc vào thành phần khoáng vật, hóa học và công nghệ sản xuất. Tính chất của xi măng do chất lượng clinke quyết định.

Hóa học đằng sau

Thành phần hóa học

Thành phần hóa học của clinke biểu thị bằng hàm lượng (%) các oxyt có trong clinke, thường chiếm tỷ lệ như sau: CaO: 63 – 66%; Al2O3: 4 – 8%; SiO2: 21 – 24%; Fe2O3: 2 – 4%.

Ngoài ra còn có một số oxyt khác như MgO; SO3; K2O; Na2O; TiO2; Cr2O3; P2O5,… Chúng chiếm một tỷ lệ không lớn nhưng ít nhiều đều có hại cho xi măng.

Thành phần hóa học của clinke thay đổi thì tính chất của xi măng cũng thay đổi. Ví dụ: Tăng CaO thì xi măng thường rắn nhanh nhưng kém bền nước, tăng SiO2 thì ngược lại.

Thành phần khoáng vật

Trong quá trình nung đến nhiệt độ kết khối các oxyt chủ yếu kết hợp lại tạo thành các khoáng vật silicat canxi, aluminat canxi, alumôferit canxi ở dạng cấu trúc tinh thể hoặc vô định hình. Clinke có 4 khoáng vật chính như sau :

  1. Alit : silicat canxi : 3CaO.SiO2 (viết tắt là C3S). Chiếm hàm lượng 45 – 60% trong clinke. Alit là khoáng quan trọng nhất của clinke, nó quyết định cường độ và các tính chất khác của xi măng. Đặc điểm: Tốc độ rắn chắc nhanh, cường độ cao, tỏa nhiều nhiệt, dễ bị ăn mòn.
  2. Bêlit : silicat canxi 2CaO.SiO2 (viết tắt là C2S). Chiếm hàm lượng 20 – 30% trong clinke. Bêlit là khoáng quan trọng thứ hai của clinke. Đặc điểm: Rắn chắc chậm nhưng đạt cường độ cao ở tuổi muộn, tỏa nhiệt ít, ít bị ăn mòn.
  3. Aluminat canxi : 3CaO.Al2O3 (viết tắt là C3A). Chiếm hàm lượng 4 – 12 % trong clinke. Đặc điểm: Rắn chắc rất nhanh nhưng cường độ rất thấp, tỏa nhiệt rất nhiều và rất dễ bị ăn mòn.
  4. Feroaluminat canxi : 4CaO.Al2O3.Fe2O3 (viết tắt là C4AF). Chiếm hàm lượng 10 – 12% trong clinke. Đặc điểm: Tốc độ rắn chắc, cường độ chịu lực, nhiệt lượng tỏa ra và khả năng chống ăn mòn đều trung bình.

Ngoài các khoáng vật chính trên trong clinke còn có một số thành phần khác như CaO; Al2O3; Fe2O3; MgO; K2O và Na2O, tổng hàm lượng các thành phần này khoảng 5 – 15% và có ảnh hưởng xấu đến tính chất của xi măng, làm cho xi măng kém bền nước.

Khi hàm lượng các khoáng thay đổi thì tính chất của xi măng cũng thay đổi theo. Ví dụ: Khi hàm lượng C3S nhiều lên thì xi măng rắn càng nhanh, cường độ càng cao. Nhưng nếu hàm lượng C3A tăng thì xi măng rắn rất nhanh và dễ gây nứt cho công trình.

Hydrat hóa

Các thành phần thủy lực quan trọng nhất là canxi silicat, C2S và C3S. Khi trộn với nước, các canxi silicat phản ứng với các phân tử nước để tạo thành canxi silicat hydrat (3CaO.2SiO2 .3H2O) và canxi hiđroxit (Ca[OH]2). 

Các hợp chất này được ký hiệu viết tắt C – S – H (được biểu thị bằng công thức trung bình C3S2H3) và CH, và phản ứng hydrat hóa có thể được biểu diễn thô sơ bằng các phản ứng sau:

2 C3S + 6 H = C3S2H3 (61%) + 3 CH (39%) + 114 kJ/mol

2 C2S + 4 H = C3S2H3 (82%)+ CH (18%) + 43 kJ/mol

Trong đó: C = CaO, S = SiO2, H = H2O

Trong giai đoạn đầu của quá trình hydrat hóa, các hợp chất gốc hòa tan, và sự hòa tan các liên kết hóa học của chúng tạo ra một lượng nhiệt đáng kể. 

Sau đó, vì những lý do chưa được hiểu đầy đủ, quá trình hydrat hóa dừng lại. Giai đoạn tĩnh lặng hoặc không hoạt động này là cực kỳ quan trọng trong quá trình đổ bê tông. 

Không có thời gian không hoạt động sẽ không có xe chở xi măng; quá trình đổ sẽ phải được thực hiện ngay sau khi trộn.

Sau thời gian không hoạt động (có thể kéo dài vài giờ), xi măng bắt đầu cứng lại do CH và C – S – H được tạo ra. Đây là vật liệu kết dính giúp kết dính xi măng và bê tông với nhau. 

Khi quá trình thủy hóa diễn ra, nước và xi măng liên tục được tiêu thụ. May mắn thay, các sản phẩm C – S – H và CH chiếm gần như cùng thể tích với xi măng và nước ban đầu; thể tích xấp xỉ được bảo toàn và có thể kiểm soát được độ co rút.

Mặc dù các công thức trên coi C – S – H là một hệ số tỷ lượng, với công thức C3S2H3, nó hoàn toàn không tạo thành một cấu trúc có trật tự của thành phần đồng nhất. 

C – S – H thực sự là một loại gel vô định hình với tỷ lượng rất thay đổi. Ví dụ, tỷ lệ giữa C và S có thể dao động từ 1: 1 đến 2: 1, tùy thuộc vào thiết kế hỗn hợp và điều kiện đóng rắn.

Thuộc tính cấu trúc

Cường độ được phát triển bởi xi măng poóc lăng phụ thuộc vào thành phần của nó và độ mịn mà nó được nghiền. 

C3S chịu trách nhiệm chính cho cường độ được phát triển trong tuần đầu tiên cứng lại và C2S cho sự gia tăng cường độ sau đó. Các hợp chất nhôm và sắt chỉ hiện diện với lượng ít hơn sẽ đóng góp rất ít trực tiếp vào cường độ.

Xi măng và bê tông đông kết có thể bị hư hỏng do sự tấn công của một số tác nhân hóa học tự nhiên hoặc nhân tạo. 

Các hợp chất alumina dễ bị tổn thương nhất để tấn công hóa học trong đất có chứa muối sulfate hoặc trong nước biển, trong khi các hợp chất sắt và hai silicat canxi kháng hơn. 

Canxi hydroxit được giải phóng trong quá trình hydrat hóa canxi silicat cũng dễ bị tấn công. Bởi vì xi măng giải phóng nhiệt khi nó ngậm nước, bê tông được đặt trong khối lượng lớn, như trong các đập, có thể làm cho nhiệt độ bên trong khối lượng tăng cao hơn nhiệt độ bên ngoài tới 40°C (70°F). 

Việc làm nguội sau đó có thể là nguyên nhân gây nứt. Nhiệt hiđrat hóa cao nhất được biểu thị bằng C3A, theo thứ tự giảm dần là C3S, C4AF và C2S.

Bài viết đến đây là hết rồi. Hi vọng sẽ giúp ích cho các bạn phần nào trong tương lai. Lần sau nếu có ai hỏi về chủ đề này thì hãy nhớ về hóa học đằng sau chúng nhé.

Tham khảo Buildingsolutions, Patricia Mason, Britannica, PSU, MASTMUCE.

Đăng ký Bản tin
BÀI ĐĂNG MỚI

Đăng ký danh sách gửi thư của chúng tôi và nhận những nội dung thú vị và cập nhật vào hộp thư đến email của bạn.

Cảm ơn bạn đã đăng ký.

Đã xảy ra lỗi.

Share: