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 hiệu quả của quy trình hydrat hóa, là sự phối hợp hóa học giữa những hợp chất xi-măng với nước tạo ra những tinh thể siêu nhỏ hoặc vật tư dạng gel có diện tích quy hoạnh mặt phẳng cao .
Do đặc tính ngậm nước của chúng, xi-măng thiết kế xây dựng, thậm chí còn 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!
Bạn đang đọc: Hóa học đằng sau xi măng
Xi măng là gì ?
Xi măng – là “ chất keo ” kết dính bê tông với nhau – là một loại bột mịn được tạo thành từ những khoáng chất nghiền nhỏ như đá vôi và đất sét có công dụng như một chất kết dính .
Xi măng hoàn toàn có thể được làm từ nhiều loại vật tư khác nhau, nhưng nó không hề tự sử dụng được. Trên thực tiễn, xi-măng La Mã là đá được nghiền nhỏ với vôi nung, tro núi lửa và gạch bổ trợ .
Ngày nay, xi-măng poóc lăng là loại xi-măng thông dụng nhất được sử dụng và là một trong những vật tư có ngân sách thấp nhất trên quốc tế do sự sẵn có thoáng rộng của đá vôi và đá phiến .
Có năm loại xi-măng poóc lăng với những tính năng sau :
- Xi măng loại I tốt cho các mục đích chung khi không yêu cầu các tính chất đặc biệt.
- Loại II có độ bền sunfat trung bình và chiếm phần lớn xi măng được bán ở Bắc Mỹ .
- 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.
- 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.
- 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 tiên phong trong quy trình sản xuất xi-măng là khai thác đá vôi ( và những vật tư khác ) từ mỏ đá bằng cách cho nổ. Các vật tư được giảm kích cỡ và sau đó được luân chuyển đến xí nghiệp sản xuất để giải quyết và xử lý .
Sau đó, những vật tư 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 size và hóa học giống hệt .
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 quốc tế, về cơ bản là một ống dài hoàn toàn có thể có đường kính 12 feet và dài tới 300 feet tùy thuộc vào hiệu suất sản xuất của xí nghiệp sản xuất .
Xử lý bột thô trong lò nung được cho phép 1 số ít đổi khác cấu trúc và phản ứng hóa học diễn ra và hình thành những hợp chất mới góp thêm phần vào độ bền của xi-măng .
Các khối nóng trắng Open từ lò nung được gọi là “ clinker ” và được làm mát bằng không khí. “ Clinker ” được nghiền trong máy nghiền đến kích cỡ và cường độ mong ước .
Phòng thí nghiệm tích lũy mẫu và kiểm tra độ mịn, độ đặc, độ bền và nhiệt của quy trình hydrat hóa trong số những thuộc tính khác .
Do nhiệt độ nhu yếu cao trong lò nung, than đá, khí đốt tự nhiên, dầu nguyên vật liệu và than cốc thường được sử dụng để nung chảy .
Tuy nhiên, với việc thôi thúc sản xuất vững chắc hơn, những nhà quản lý và điều hành nhà máy sản xuất liên tục bổ trợ những vật tư tái chế vào nguyên vật liệu của họ như tràn bãi rác, chất thải lò mổ, nhựa, v.v. Một ví dụ khác là lốp xe hoàn toàn 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 luân chuyển đến xí nghiệp sản xuất, nơi nó được trộn với những thành phần khác để tạo thành bê tông hoặc vữa .
Xem video sau đây hiểu rõ hơn về quy trình sản xuất xi-măng nhé !
Xi măng poóc lăng
Đôi nét
Xi măng poóc lăng được cấp văn bằng bản quyền trí tuệ 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 văn bằng bản quyền trí tuệ của Aspden, những thành phần hỗn hợp được sử dụng trong xi-măng được giữ bí hiểm. Xi măng pooclăng không được đưa vào Hoa Kỳ cho đến năm 1871 .
Hóa chất làm xi-măng gồm có hai bước riêng không liên quan gì đến nhau : ( i ) đông kết, quy trình đổi khác độ dẻo ( năng lực tạo hình hoặc tạo khuôn ) của xi-măng đến độ cứng, và ( ii ) cứng lại, sự tăng trưởng của cường độ .
Nếu xi-măng đông kết quá nhanh, công nhân kinh nghiệm tay nghề khó khăn vất vả trong việc đưa vật tư vào đúng chỗ. Thêm thạch cao, CaSO4, vào xi-măng poóc lăng lê dài thời hạn dẻo .
Các hợp chất quan trọng nhất có trong xi-măng là : 3C aO. Al2O3, tricalcium aluminat ; 3C aO. SiO2, tricalcium silicat ; 2C aO. SiO2, dicalcium silicate ; và CaO, canxi oxit. 2C aO. SiO2 phản ứng chậm với nước tạo ra Ca ( OH ) 2 và H2SiO3 .
Phản ứng này không chỉ giúp giữ vật tư lại với nhau mà còn làm cho bê tông ít thấm nước. Quá trình cứng một phần là do quy trình hydrat hóa của những hợp chất xuất hiện và có lẽ rằng là bị tác động ảnh hưởng bởi sự kết tinh của những hyđrat này .
Về cơ bản, xi-măng là một ma trận link ngang được polyme hóa cao. Cả quy trình sắp xếp và đông cứng đều cần sự hiện hữu 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 nguyên do tại sao xi-măng hoàn toàn có thể đông cứng dưới nước .
Khái niệm chung
Xi măng poóc lăng là chất kết dính rắn trong nước, chứa khoảng chừng 70 – 80 % silicat canxi nên còn có tên gọi là xi-măng silicat. Nó là mẫu sản phẩm nghiền mịn của clinke với phụ gia đá thạch cao ( 3 – 5 % ) .
Đá thạch cao có công dụng kiểm soát và điều chỉnh vận tốc đông kết của xi-măng để tương thích với thời hạn thiết kế .
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 chừng 1450 oC ) .
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 lộ bằng hàm lượng ( % ) những oxyt có trong clinke, thường chiếm tỷ suất như sau : CaO : 63 – 66 % ; Al2O3 : 4 – 8 % ; SiO2 : 21 – 24 % ; Fe2O3 : 2 – 4 % .
Ngoài ra còn có một số ít oxyt khác như MgO ; SO3 ; K2O ; Na2O ; TiO2 ; Cr2O3 ; P2O5, … Chúng chiếm một tỷ suất không lớn nhưng không ít đều có hại cho xi-măng .
Thành phần hóa học của clinke biến hóa thì đặc thù của xi-măng cũng biến hóa. Ví dụ : Tăng CaO thì xi-măng thường rắn nhanh nhưng kém bền nước, tăng SiO2 thì ngược lại .
Thành phần khoáng vật
Trong quy trình nung đến nhiệt độ kết khối những oxyt đa phần tích hợp lại tạo thành những 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 :
- 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.
- 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.
- 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.
- 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 những khoáng vật chính trên trong clinke còn có 1 số ít thành phần khác như CaO ; Al2O3 ; Fe2O3 ; MgO ; K2O và Na2O, tổng hàm lượng những thành phần này khoảng chừng 5 – 15 % và có ảnh hưởng tác động xấu đến đặc thù của xi-măng, làm cho xi-măng kém bền nước .
Khi hàm lượng những khoáng đổi khác thì đặc thù của xi-măng cũng biến hóa 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 khu công trình .
Hydrat hóa
Các thành phần thủy lực quan trọng nhất là canxi silicat, C2S và C3S. Khi trộn với nước, những canxi silicat phản ứng với những phân tử nước để tạo thành canxi silicat hydrat ( 3C aO. 2S iO2. 3H2 O ) và canxi hiđroxit ( Ca [ OH ] 2 ) .
Các hợp chất này được ký hiệu viết tắt C – S – H ( được bộc lộ bằng công thức trung bình C3S2H3 ) và CH, và phản ứng hydrat hóa hoàn toàn có thể được trình diễn thô sơ bằng những 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 quá trình đầu của quy trình hydrat hóa, những hợp chất gốc hòa tan, và sự hòa tan những link hóa học của chúng tạo ra một lượng nhiệt đáng kể .
Sau đó, vì những nguyên do chưa được hiểu vừa đủ, quy trình hydrat hóa dừng lại. Giai đoạn yên bình hoặc không hoạt động giải trí này là cực kỳ quan trọng trong quy trình đổ bê tông .
Không có thời hạn không hoạt động giải trí sẽ không có xe chở xi-măng ; quy trình đổ sẽ phải được triển khai ngay sau khi trộn .
Sau thời hạn không hoạt động giải trí ( hoàn toàn có thể lê dài vài giờ ), xi-măng khởi đầu cứng lại do CH và C – S – H được tạo ra. Đây là vật tư kết dính giúp kết dính xi-măng và bê tông với nhau .
Khi quy trình thủy hóa diễn ra, nước và xi-măng liên tục được tiêu thụ. May mắn thay, những loại sản phẩm C – S – H và CH chiếm gần như cùng thể tích với xi-măng và nước khởi đầu ; thể tích giao động được bảo toàn và hoàn toàn có thể trấn áp được độ co rút .
Mặc dù những công thức trên coi C – S – H là một thông số tỷ lượng, với công thức C3S2H3, nó trọn vẹn không tạo thành một cấu trúc có trật tự của thành phần giống hệt .
C – S – H thực sự là một loại gel vô định hình với tỷ lượng rất biến hóa. Ví dụ, tỷ suất giữa C và S hoàn toàn có thể xê dịch từ 1 : 1 đến 2 : 1, tùy thuộc vào phong cách thiết kế hỗn hợp và điều kiện kèm theo đóng rắn .
Thuộc tính cấu trúc
Cường độ được tăng trưởng bởi xi-măng poóc lăng phụ thuộc vào vào thành phần của nó và độ mịn mà nó được nghiền .
C3S chịu nghĩa vụ và trách nhiệm chính cho cường độ được tăng trưởng trong tuần tiên phong cứng lại và C2S cho sự ngày càng tăng cường độ sau đó. Các hợp chất nhôm và sắt chỉ hiện hữu với lượng ít hơn sẽ góp phần rất ít trực tiếp vào cường độ .
Xi măng và bê tông đông kết hoàn toàn có thể bị hư hỏng do sự tiến công của 1 số ít tác nhân hóa học tự nhiên hoặc tự tạo .
Các hợp chất alumina dễ bị tổn thương nhất để tiến công hóa học trong đất có chứa muối sulfate hoặc trong nước biển, trong khi những 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 hoàn toàn có thể là nguyên do gây nứt. Nhiệt hiđrat hóa cao nhất được biểu lộ 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 những 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, MAST và MUCE .
Source: https://camnangbep.com
Category: Học tập