Cần nghiên cứu sử dụng phụ gia đá vôi trong xi măng và bê tông

Đăng lúc 4/25/2016 12:00:00 AM

Tóm tắt Bài báo giới thiệu  kết quả nghiên cứu gần đây trên thế giới về ảnh hưởng của đá vôi đến cường độ ép, độ thấm nước, độ hấp phụ, sự thẩm thấu nhanh ion clorit đối với bê tông được sản xuất bằng sử dụng kết hợp ximăng pooclăng và đá vôi ở 28, 90 và 180 ngày.  Kết quả nghiên cứu cho thấy, bê tông ximăng pooclăng - đá vôi (PLC) với tỷ lệ 10% đáp ứng những yêu cầu kỹ thuật và chất lượng như bê tông xi măng portland thông dụng;  cũng như tính ưu việt về kinh tế và môi trường do giảm lượng khí CO2 phát ra. Từ kinh nghiệm nước ngoài, tác giả  đề nghị cần sớm nghiên cứu vấn đề này  ở dạng “Nghiên cứu – Triển khai  (R – D) nhằm xác đinh lượng phụ gia đá vôi thích hợp, đánh giá các chỉ tiêu kỹ thuật của bê tông có sử dụng phụ gia trong điều kiện khí hậu nóng - ẩm  ở nước ta  và đánh giá hiệu quả kinh tế của việc áp dụng công nghệ mới  ở quy mô bán công nghiệp.

bao-xay-dung-2    

Tiêu chuẩn kỹ thuật phụ gia đá vôi trong xi măng Các nhà máy xi măng ở nước ta chủ yếu sản xuất loại xi măng pooclăng thông dụng (Ordynary Portland Cement - OPC). Việc sản xuất clanhke xi măng pooclăng  là quá trình gia nhiệt. Quá trình này tạo ra một khối lượng rất lớn khí thải gây ô nhiễm môi trường, chủ yếu là do CO2 thoát ra từ đá vôi trong quá trình nung clanhke.  Để giảm bớt tiêu tốn năng lượng,. giảm  lượng  khí CO2 thoát ra và tăng sản lượng, cần đẩy mạnh  nghiên cứu  sử dụng các loại phụ gia khoáng  trong sản xuất xi măng, bao gồm các loại vật liệu  như xỉ lò cao, puzơlan, tro bay và bột đá vôi,  trong đó việc sử dụng phụ gia bột  đá vôi, vừa mang lại hiệu quả kinh tế, vừa giảm thiểu ô nhiễm  môi trường,  đang được nhiều nước áp dụng. Trước những năm 1980, đá vôi thường được coi như một phụ gia trơ. Tuy nhiên, những nghiên cứu gần đây cho thấy canxi hydroxit [Ca(OH)2] sẽ kết tủa trong quá trình thuỷ hóa của xi măng và do sự tương tác giữa silicat ba can xi (C3S) và canxi cacbonat, dẫn đến sự thay đổi tỷ lệ Ca/Si của gel C - S -  H, ảnh hưởng  đến các tính chất cơ lý  của xi măng như sự hòa tan, tác dụng lấp đầy và cấu tạo hạt. Ảnh hưởng của phụ gia vôi còn  làm thay đổi kích thước lỗ xốp ban đầu của hỗn hợp vữa và dẫn đến giảm yêu cầu nước để duy trì sự ổn định trong quá trình đông kết. Xi măng  - vôi thể hiện những đặc tính tốt như có cường độ kháng nén cao và yêu cầu lượng nước ít hơn. Việc cho thêm đá vôi đã làm tăng hoạt tính của clanhke và tăng khả năng thủy hóa, nâng cao khả năng chống ăn mòn .v.v. Hầu hết tiêu chuẩn xi măng pooclăng của các nước trên thế giới đều cho phép sử dụng phụ gia đá vôi đến 5%, là hàm lượng bổ sung tối thiểu. Tiêu chuẩn Châu Âu (EN 197 - 1 -  2000) đã xác định hai loại xi măng là CEM II/(A - B) - L chứa từ 84 - 90% clanhke  và  6 - 20% vôi và loại CEM II/(A - B) - LL  chứa từ 65 – 79 clanhke và từ 21 -  35% vôi. Từ năm 1983, Tiêu chuẩn của Canada đã cho phép phụ gia 5% đá vôi cho các loại xi măng pooclăng Type 10 và Type 30. Đây cũng là khuynh hướng chung ở các nước Mỹ La tinh như Achentina, Brazil và Mehyco. Viện Tiêu chuẩn hoá và Nghiên cứu Công nghệ Iran (2005) đã cho phép đưa từ 6  đến  20 %  bột  đá vôi vào xi măng. Tiêu chuẩn Quốc tế  ASTM (C150 – 04) cho phép đưa 5% đá vôi, đồng thời quy định rõ hàm lượng  canxi cacbonat (CaCO3) được tính  theo hàm lượng ôxit canxi tối thiểu phải chiếm 70% khối lượng (Bảng 1). Xi măng pooclăng - vôi được sản xuất bằng cách nghiền chung clanhke, đá vôi và thạch cao đến cỡ hạt từ 320 - 350  m2/ kg. Một vấn đề được quan tâm liên quan với việc bổ sung phụ gia vôi vào hồ, vữa hoặc bê tông là sự hình thành khoáng thaumasite, do sự công phá của các ion sulfat ở nhiệt độ thấp (dưới 15oC). Tuy nhiên, ở các nước khí hậu khô nóng (trong đó có Việt Nam), điển hình là Bắc Mỹ và Trung Đông, nhiệt độ trung bình hàng năm khá lớn - hơn 20oC, thì sự hình thành khoáng thaumasite không đáng ngại và việc sản xuất xi măng pooclăng - vôi rất được khuyến khích. Xi măng pooclăng - vôi chứa  từ 5 – 35% phụ gia  đá vôi đang được sản xuất và sử dụng rộng rãi ở nhiều nước trên thế giới.

Vicem1 (Copy)

Ở Algeri, phần lớn xi măng đều được phối trộn với các phụ gia khoáng như đá vôi và puzơlan. Puzơlan hiện đang được sử dụng  tối thiểu ở 6  trong số 12 nhà máy xi măng, trong đó 2 nhà máy sử dụng phụ gia cả đá vôi lẫn  puzơlan. Các nhà máy này  thường bổ sung khoảng 15%  puzơlan và 10% phụ gia đá vôi để thay thế xi măng. Các phụ gia, khi được sử dụng làm nguyên liệu  thay thế một phần xi măng trong vữa và trong bê tông, mặc dù có thời gian đông kết chậm hơn, nhưng có rất nhiều ưu điểm. nổi bật như xi măng hỗn hợp hai hoặc ba thành phần có tác dụng tổng hợp, cho phép các hợp phần bổ trợ lẫn nhau, sử dụng những đặc tính đáng quý của một phụ gia để bù trừ cho những đặc tính không được ưng ý của một phụ gia khác. Ví dụ, phụ gia đá vôi góp phần tăng cường độ ở thời kỳ đầu, thi puzơlan lại góp phần tăng cường độ trong thời gian dài. Sự kết hợp tốt các phụ gia dẫn đến nâng cao cường độ.của bê tông.

                     Tiêu chuẩn  kỹ thuật (ASTM C 150 - 04) của  clanhke và phụ gia  đá vôi

Bảng 1

TT Thành phần khoáng vật     Clanhke     Đá vôi
  1 C3S (%)         51           -
  2 2S (%)         23           -
  3 C3A(%)          5  
  4 C4AF (%)          8  
                Tính chất hóa học
  5 Hàm lượng CaCO3 (%)          -       97,8
  6 Tổng  carbon hữu cơ (TOC) (%)          -       0,05
  7 Hấp thụ xanh Methylen (MBA) (g/100 g)          -       0,07
  8 Độ ẩm (%)          -       0,37
           Tính chất cơ lý    
  9 Độ mịn Blain (m2/kg)        320        330
 10 Tỷ trọng       3,21       2,69

 

 

 

  Phụ gia  đá vôi được đưa vào xi măng phải đáp ứng 3 yêu cầu dưới đây:

  • Hàm lượng CaCO3 lớn hơn 75%;
  • Hàm lượng sét được xác định theo thí nghiệm xanh Methylen, phải nhỏ hơn 1,20 g/100g
  • Tổng hàm lượng carbon hữu cơ (TOC) phải đáp ứng  những chỉ tiêu sau đây:
  • Đối với loại xi măng  CEM II/(A - B) LL: không vượt quá 0.20% về khối lượng,
  • Đối với loại xi măng CEMII/ (A - B) L: không vượt quá 0.50% về khối lượng.

Các tập hợp dự kiến được đưa vào ,phối liệu gồm: hạt thô được nghiền từ đá cacbonat với kích thước tối thiểu là 19 mm, và hạt mịn  là cát sông thông thường. Cấp hạt thô có tỷ trọng và độ hấp phụ nước theo thứ tự là 2510 kg/ m3 và 0, 90%, và cấp  hạt mịn có tỷ trọng là 2750 kg/m3  và độ hấp phụ nước là 2,75%..Các cấp hạt của tập hợp hạt thô và tập hợp hạt mịn theo tiêu chuẩn Anh BS 882.  Chất siêu dẻo dựa trên naphetalen là Rheobuild, có tỷ trọng 1.200 kg/m3 được sử dụng để đạt được độ lún cần thiết trong mẫu có tỷ lệ w/b = 0,37 Ảnh hưởng của  phụ gia đá vôi đến chất lượng  xi măng và bê tông Trong khoảng 10 năm trở lại đây, đã có hàng chục công trình  trên thế giới nghiên cứu  ảnh hưởng phụ gia đá vôi trong xi măng pooclăng, cũng như trong bê tông đầm lăn (RCC). Chúng tôi muốn  được giới thiệu ở đây, kết quả nghiên cứu  rất có ý nghĩa  của các nhà khoa học Iran (Ali A. Ramezanianpour et al., 2009) được trình bày tại  một Hội thảo Quốc tế ở Tây Ban Nha nghiên cứu ảnh hưởng của đá vôi đến cường độ ép, độ thấm nước, khả năng hấp phụ  và  tính thấm nhanh ion clorit v.v.. Tỷ lệ đá vôi thay thế cho xi măng pooclăng là 0%, 5%. 10%, 15% và 20%;  tỷ lệ nước/ chất dính kết (w/b) là 0,37, 0,45 và 0,55. Lượng chất dính kết  (xi măng + đá vôi) duy trì ở mức 350 kg/m3 bê tông. Phương pháp thí nghiệm và kết quả thu được như sau: - Xác định cường độ ép: các mẫu bê tông hình lập phương  có kích thước 100 x 100 x 100 mm  được tiến hành  thí nghiệm sau 3, 7, 28, 90 và 180 ngày bảo dưỡng,  Cường độ ép lớn nhất đạt được ở 180 ngày là 67,0 MPa ứng với mẫu chứa 10% phụ gia và cường độ ép nhỏ nhất là 32,0  MPa ứng với mẫu chứa 20% phụ gia. Sự giảm cường độ được giải thích là do việc thay thế một phần xi măng bằng đá vôi đã làm loãng clanhke. Cường độ ép của các mẫu bê tông tăng lên theo thời gian bảo dưỡng .và giảm theo sự tăng lên của tỷ lệ w/b. Nhìn chung khi tăng hàm lượng phụ gia, thì cường độ ép giảm, chẳng hạn  cường độ ép của mẫu chứa 20% phụ gia  sau 180 ngày sẽ thấp hơn mẫu không chứa phụ gia là 23%.  Tuy nhiên với mức thay thế 10% đá vôi, thì sự giảm cường độ là không đáng kể. - Xác định độ thấm nước: thí nghiệm độ thấm nước được sử dụng để đánh giá tính thấm của bê tông được tiến hành theo Tiêu chuẩn Anh (BS EN - 12390 - 8:2000). Ở thí nghiệm này, các mẫu bê tông  hình lập phương kích thước 150 mm, sau 28, 90 và 180 ngày bảo dưỡng  được sấy trong điều kiện thí nghiệm  trong thời gian 24 giờ.  Độ thấm nước tăng lên theo sự tăng của tỷ lệ w/b. Độ thấm nước lớn nhất là 21 mm đối với mẫu chứa 20% phụ gia và nhỏ nhất là 8 mm đối với mẫu chứa 10% phụ gia sau 28 ngày. Sau 180 ngày, độ thấm nước lớn nhất là 14,5 mm đối với mẫu chứa 20% phụ gia và nhỏ nhất là 2,5 mm đối với mẫu chứa 10% phụ gia. Kết quả đó chứng tỏ rằng, bê tông xi măng pooclăng - vôi chứa 10% vôi có độ thấm nước thấp hơn bê tông xi măng pooclăng.thông thường.  - Xác định tính hấp phụ: tính hấp phụ  được đo ở những mẫu bê tông hình lập phương kích thước 100 mm và được sấy ở nhiệt độ 50o C  trong 14 ngày. Sau khi bê tông đã ổn định, các mẫu được phủ bằng một lớp nhựa  epoxy chỉ ở 4 mặt xung quanh để đảm bảo sự hấp phụ nước theo trục thẳng đứng. Khối lượng của các mẫu được đo sau 0, 3, 6, 24 và 72 giờ hấp phụ. Hệ số hấp phụ (S) theo tiêu chuẩn Anh BS EN - 480-5: 1997 được sử dụng để xác định tính hấp phụ. Ảnh hưởng của tỷ lệ w/b đối với tính hấp phụ của các mẫu bê tông chứa lượng phụ gia vôi khác nhau ở 28, 90 và 180 ngày được xác định. Tính hấp phụ giảm khi tỷ lệ w/b giảm. Ở tất cả các mẫu, tính hấp phụ giảm theo thời gian dưỡng ẩm và tăng theo sự thay thế của phụ gia. Ngoài ra, không có sự khác biệt đáng kể giữa  độ hấp phụ của các mẫu chứa 0%  và 5% phụ gia. Như là, sau 180 ngày, hệ số hấp phụ  đối với mẫu chứa 20% phụ gia lớn hơn 1,6 lần so với mẫu không chứa phụ gia,  nhưng thông số này đối với mẫu  chứa 5% phụ gia  chỉ lớn hơn 1,02 lần  so với mẫu không  có phụ gia. - Xác định thấm nhanh của ion clorit: thí nghiệm tính thấm nhanh của ion clorit được tiến hành theo Tiêu chuẩn ASTM C- 1202  ở các thời kỳ 28, 90 và 180 ngày. Hai mẫu có đường kính 100 mm và chiều dày 50 mm quy định theo tiêu chuẩn, được tích điện  60 V trong 6 giờ. Tổng điện tích chạy qua các mẫu bê tông được xác định và dùng để đánh giá sự thấm qua của clorit đối với mỗi mẫu bê tông. Kết quả cho thấy,  các mẫu bê tông chứa 10%    phụ gia  với tỷ lệ w/b là 0,37 và 0,45 và mẫu chứa 15% phụ gia với tỷ lệ w/b là 0,55 cho  kết quả phù hợp. Tất cả các mẫu, sau thời gian 180 ngày đều có mức thấm clorit thấp, phù hợp với tiêu chuẩn Quốc tế ASTM  C 1202. Các kết quả nghiên cứu ở Hy Lạp và Tây Ban Nha cũng cho thấy sự thấm  nhanh của ion clorit sẽ tăng lên trong bê tông chứa 15%  phụ gia, hoặc, sự thấm của các ion clorit sẽ tăng từ 43% đến 114% đối với bê tông chứa 10% và 20% phụ gia. Ngoài sử dụng trong xi măng pooclăng, kết quả thí nghiệm sử dụng phụ gia đá vôi trong bê tông  cũng thu  được kết quả rất tốt. Trong xây dựng đập Rialb ở Tây Ban Nha bằng công nghệ bê tông  đầm lăn, cứ trong 1 m3 bê tông đã pha thêm  50 kg bột đá vôi, kết quả cho thấy đã hạ thấp nhiệt thủy hóa của hỗn hợp, mà không làm thay đổi bất cứ đặc tính vốn có nào như cường  độ, độ kháng nén, độ lún v.v. Nhìn chung kết quả nghiên cứu cho thấy, bê tông xi măng pooclăng - đá vôi (PLC) với tỷ lệ đến 10% đá vôi có các đặc tính tương tự bê tông ximăng pooclăng. Dùng vôi trong sản xuất bê tông ở nước ta Ở nước ta việc sử dụng phụ gia bột đá vôi trong xi măng còn chưa được nghiên cứu,  nhưng kinh nghiệm sử dụng vôi trong bê tông  lại khá phong phú. - Dùng vôi để chế tạo vữa cát - vôi, vữa hỗn hợp (vữa cát - xi măng, vữa vôi - xi măng) để xây dựng hoặc trát; chế tạo vữa vôi - rơm để trát trần nhà v.v, đã có từ lâu. Kinh nghiệm cho thấy, khi nghiền mịn,  các khoáng  canxi  silicat và aluminat sẽ tác dụng với nước và cứng hóa giống  như xi măng, làm cho vữa cứng nhanh hơn và  có cường độ cao hơn. Ngoài ra, Ca(OH)2 mới sinh ra, do vôi tác dụng với nước, có hoạt tính mạnh, dính kết với cát tốt hơn. - Dùng vôi để chế tạo bê tông: do vôi có cường độ thấp, nên không yêu cầu cốt liệu có cường độ cao. Vì vậy, nhân dân ta thường dùng gạch vụn làm cốt liệu bê tông, có pha thêm một ít xi măng, chủ yếu dùng cho lớp lát mỏng công trình. - Dùng vôi để chế tạo chất kết dính cấp thấp: Vào những năm 1960 - 1970, puzơlan Sơn Tây được nghiền nhỏ trộn với vôi bột sống theo tỷ lệ 1 vôi + 3 puzơlan để được chất kết dính cấp thấp, gọi là vôi - puzơlan, được đóng thành bao bán ngoài thị trường có tên là V.P. Hỗn hợp này  có ưu điểm là có thể đông cứng được trong nước do các thành phần khoáng tác dụng với nhau,  tuy nhiên cũng có nhược điểm là thời gian đông kết chậm. Ty Công nghiệp Sơn Tây (trước đây) đã pha thêm 20% xi măng  và thu được hỗn hợp vôi - puzơlan - xi măng,  ký hiệu là V.P.X, đạt mác 100. - Dùng vôi để chế tạo hỗn hợp vôi  - đất sét  ( hỗn hợp vôi + đất sét + cát  hoặc vôi + đất sét  + đá dăm  hoặc gạch vụn). Hỗn hợp vôi : đất sét thường dùng theo tỷ lệ 1 / 2 - 4 (khối lượng); hỗn hợp ba thành phần có thể dùng vôi : đất sét : cát  =  1 : 2 : 3. Khi dùng hỗn hợp 4 thành phần, thì lượng cát có thể giảm đi, nhưng cần cho thêm một lượng đá dăm thích hợp. Đã dùng các hỗn hợp trên để đúc ống cống dùng trong các công trình thủy lợi nhỏ. Ngoài ra, cũng đã dùng để làm lớp phủ sân, làm tường trình và làm mặt đường nhỏ ở nông thôn, cũng như  làm các đường lớn, còn gọi là “đất gia cố vôi”. Ở Hải Phòng đã sản xuât một số vật liệu đất - vôi vói tỷ lệ khác nhau để xây dựng hàng nghìn m2 nhà ở, nhà kho, chuồng trại tại vùng ven ngoại thành và đảo Cát Bà, sau nhiều năm công trình vẫn sử dụng tốt. Ở nhiều nước trên thế giới như Liên Xô (trước đây), Mỹ, Thụy Sĩ và Ấn Độ cũng đã nghiên cứu áp dụng từ lâu hốn hợp vôi - đất sét để gia cố mặt đường và đã rút ra kết luận vôi là chất gia cố rất hiệu quả. Ủy ban KHKT Nhà nước (nay là Bộ Khoa học và Công nghệ) đã có kết luận đánh giá cao việc sử dụng hỗn hợp vôi - đất sét để gia cố mặt đường và khuyến nghị: ”Đất gia cố vôi có thể dùng làm lớp móng ở chỗ nền đất yếu, có mực nước ngầm cao”. Kết luận và kiến nghị Sử dụng đá vôi làm phụ gia xi măng là giải pháp công nghệ tiên tiến đã được áp dụng có hiệu quả ở nhiều nước trên thế giới trong những năm gần đây. Với giải pháp công nghệ này không chỉ nâng cao sản lượng và chất lượng sản phẩm, mà còn  tiết kiệm nhiên liệu và giảm thiểu ô nhiễm môi trường do giảm lượng khí CO2 phát ra. Công nghệ sản xuất khá đơn giản, lại sử dụng chính nguyên liệu được đưa vào sản xuất. Do vậy, chúng tôi đề nghị các cơ quan khoa học thuộc  Bộ Xây dựng cần sớm nghiên cứu vấn đề này  ở dạng “Nghiên cứu – Triển khai (R - D nhằm xác đinh lượng phụ gia đá vôi thích hợp, đánh giá các chỉ tiêu kỹ thuật của bê tông có sử dụng phụ gia trong điều kiện khí hậu nóng - ẩm  ở nước ta  và hiệu quả kinh tế của việc áp dụng công nghệ mới này ở quy mô bán công nghiệp.

Trần Kim Phượng - Viện Khoa học Địa chất và Khoáng  sản