Ảnh hưởng của phụ gia khoáng đến cường độ của xi măng poóc lăng theo thời gian bảo quản

Kết quả nghiên cứu khảo sát ảnh hưởng của một số loại phụ gia khoáng đến đặc tính cường độ của xi măng đã chỉ ra rằng: phụ gia khoáng pha vào xi măng đã có tác dụng làm giảm mức độ suy giảm cường độ của xi măng poóc lăng theo thời gian bảo quản. Xi măng poóc lăng hỗn hợp (PCB) nghiền càng mịn, sự suy giảm cường độ theo thời gian bảo quản càng lớn. Hàm lượng và loại phụ gia khoáng có ảnh hưởng khác nhau đến mức độ suy giảm cường độ của xi măng poóc lăng hỗn hợp theo thời gian bảo quản. Với xi măng có độ mịn cao, mức độ suy giảm cường độ nén theo thời gian bảo quản của xi măng poóc lăng có phụ gia khoáng thắp hơn so với xi măng poóc lăng.

1. Giới thiệu

Xi măng poóc lăng là loại chất kết dính có cường độ cao, đông kết rắn chắc nhanh. Các thành phần khoáng của xi măng poóc lăng có khả năng tác dụng nhanh với nước hay hút ẩm trong môi trường bảo quản để thủy hóa. Vì vậy xi măng poóc lăng lưu giữ lâu thường gây nên sự thay đổi các đặc tính như lượng nước tiêu chuẩn, thời gian đông kết rắn chắc, cường độ... Chính điều này đã gây nên sự giảm chất lượng của xi măng theo thời gian bảo quản (hay thời gian lưu giữ) mà quan trọng nhất là đặc tính cường độ. Mức độ suy giảm cường độ của xi măng phụ thuộc vào loại xi măng, điều kiện bảo quản (thời gian bảo quản, môi trường bảo quản...). Thông thường xi măng nghiền càng mịn, thời gian bảo quản càng lâu, độ ẩm môi trường bảo quản càng lớn, cường độ ban đầu càng cao thì có sự suy giảm cường độ theo thời gian càng lớn [1]. Sau 3 tháng bảo quản, xi măng poóc lăng có thể giảm cường độ đến 30%. Vì vậy khi sử dụng xi măng để chế tạo bê tông cần phải tiến hành kiểm tra lại cường độ xi măng để tính toán lại cấp phối bê tông nhằm đạt được yêu cầu kỹ thuật đề ra.

Ở nước ta hiện nay chủ yếu sản xuất và sử dụng xi măng poóc lăng hỗn hợp (PCB). Phụ gia khoáng sử dụng pha vào xi măng thường là đá bazan, đá đen, tro xỉ... Hàm lượng phụ gia khoáng pha vào xi măng thường từ 10 - 30% phụ thuộc vào đặc tính của clanhke xi măng poóc lăng, loại phụ gia khoáng và cường độ xi măng poóc lăng hỗn hợp sử dụng. Phụ gia khoáng sử dụng trong xi măng không chỉ đem lại hiệu quả kinh tế lớn mà còn cải thiện một số đặc tính của xi măng poóc lăng, góp phần giảm lượng khí CO₂, thải ra và bảo vệ môi trường. Mức độ ảnh hưởng của phụ gia khoáng đến đặc tính cường độ của xi măng và bê tông đã được nhiều tác giả nghiên cứu [2-6], tuy nhiên mức độ ảnh hưởng của chúng đến sự suy giảm cường độ của xi măng theo thời gian bảo quản trong điều kiện thực tế nước ta chưa được quan tâm nghiên cứu. Vai trò của phụ gia khoáng trong việc cải thiện tính chất của xi măng và bê tông đã được nhiều nhà nghiên cứu xác nhận [7-14]. Hiệu quả này không chỉ do tác dụng liên kết hóa học, cải thiện cấu trúc của đá xi măng và bê tông khi rắn chắc mà còn do tác dụng phân tán của phụ gia khoáng làm cho các hạt xi măng ít có cơ hội tiếp xúc với nhau, do đó có khả năng làm giảm sự bám dính của các hạt xi măng với nhau. Vì thế sự có mặt của phụ gia khoáng có thể ảnh hưởng đến sự vón cục và mức độ suy giảm cường độ của xi măng khi bảo quản trong môi trường.

Mục đích của nghiên cứu này là khảo sát về ảnh hưởng của một vài dạng phụ gia khoáng đến sự suy giảm cường độ xi măng poóc lăng hỗn hợp trong thời gian bảo quản. Nghiên cứu được tiến hành với hai loại xi măng poóc lăng thông dụng hiện nay. Các kết quả nghiên cứu sẽ giúp chúng ta hiểu rõ thêm về vai trò tác dụng của phụ gia khoáng và sử dụng chúng có hiệu quả hơn.

2. Nguyên vật liệu sử dụng cho thí nghiệm

Hai loại xi măng poóc lăng (PCI và PCII) nghiền từ clanhke xi măng poóc lăng nhưng có độ nghiền mịn khác nhau. Phụ gia khoáng sử dụng là tro bay của nhà máy nhiệt điện Phả Lại, đá bazan Thanh Hóa và bột đá vôi kiện Khê. Đá bazan và đá vôi được nghiền bằng máy nghiền bi rung trong phòng thí nghiệm với thời gian nghiền khác nhau để đạt độ mịn yêu cầu nghiên cứu đặt ra. Xác định một số tính chất cơ lý của nguyên vật liệu sử dụng theo TCVN [15]. Đặc tính cơ lý của xi măng đưa ra ở Bảng 1 đạt yêu cầu kỹ thuật của PC30 và PC40. Đặc tính cơ lý và thành phần hóa học của phụ gia khoáng đưa ra trong Bảng 2a và 2b.

Xi măng poóc lăng loại PCI và PCII được trộn lẫn với từng loại phụ gia khoáng lần lượt với 10, 20 và 30% theo khối lượng được đồ vào các túi nilon để hở trong phòng thí nghiệm đề theo dõi sự thay đổi đặc tính cường độ của xi măng poóc lăng theo thời gian bảo quản 24 giờ, 28 ngày, 2 tháng và 3 tháng. Các mẫu xi măng thí nghiệm được xác định cường độ theo TCVN 6016:2011.

3. Kết quả nghiên cứu

Các mẫu vữa xi măng đã được chế tạo, bảo dưỡng và nén mẫu trong phòng thí nghiệm theo TCVN 6016:2011. Kết quả cường độ nén của các mẫu thí nghiệm được đưa ra trong Bảng 3 và 4 và biểu diễn trong Hình 1 đến Hình 6.

Để đánh giá cường độ của xi măng có và không có phụ gia khoáng, cường độ của các mẫu xi măng sau khi bảo quản 28 ngày, 2 và 3 tháng đã được so sánh với cường độ của nó sau khi bảo quản 24 giờ - Gọi là cường độ tương đối và đưa ra ở Bảng 5 và 6. Mức độ giảm cường độ tương đối theo thời gian bảo quản của PCI, PCII không có và có phụ gia khoáng được đưa ra trong Bảng 7 và 8. Mức độ thay đổi cường độ tương đối của xi măng hỗn hợp theo thời gian bảo quản so với xi măng PCI và PCII bảo quản 24 giờ được đưa ra trong Bảng 9 và 10.

Các kết quả thí nghiệm đưa ra trong các Bảng 3 đến 6 và các hình vẽ minh họa từ 1 đến 6 cho thấy: độ nghiền mịn của xi măng, loại và hàm lượng phụ gia khoáng pha vào có ảnh hưởng khác nhau đến đặc tính cường độ của xi măng poóc lăng.

- Với PCI, cường độ của các mẫu CPI có các loại phụ gia khoáng đều có xu hướng tăng đến 3,7% khi pha trộn 10%; nhưng với 20% phụ gia khoáng pha vào thì cường độ của tất cả các mẫu xi măng PCB đều giảm với mức giảm từ 1,5% đến 7,1%. Với 30% phụ gia khoáng, cường độ của tất cả các mẫu PCB giảm từ 7,1 % đến 18,8% (Bảng 9). Với PCII, khi pha trộn với các loại phụ gia khoáng, cường độ của các mẫu PCB pha trộn 10% phụ gia khoáng đều có xu hướng tăng đến 2,6%, với 20% và 30% phụ gia khoáng pha vào thì cường độ của tất cả các mẫu PCB đều giảm tương ứng đến 5,6% và đến 17,4% (Bảng 10).

- Mức độ ảnh hưởng của phụ gia khoáng đến đặc tính cường độ xi măng còn phụ thuộc vảo loai phụ gia khoáng sử dụng. Với tro bay và đá bazan, hàm lượng pha vào là đến 20% có thể giữ vững được cường độ nén của xi măng poóc lăng, nhưng với bột đá vôi chỉ khi thay thế khoảng 10% khối lượng xi măng là có thể giữ vững được cường độ của xi măng (Bảng 3 và 4).

Nghiên cứu sự thay đổi cường độ nén của xi măng theo thời gian bảo quản cho thấy: mức độ giảm cường độ của xi măng hỗn hợp với các loại phụ gia khác nhau có giá trị khác nhau.

- Với xi măng poóc lăng (PCI và PCII): tăng thời gian bảo quản, cường độ nén của hai loại xi măng đều giảm đi. Mức độ suy giảm cường độ sau thời gian bảo quản 28 ngày, 2 và 3 tháng của PCI tương ứng là 7,4; 15,6 và 22,8%; của PCII tương ứng là 10,8; 20,0 và 28,6%. Như vậy xi măng poóc lăng nghiền càng mịn, do khả năng liên kết ắm tăng lên nên mức độ giảm cường độ theo thời gian bảo quản càng lớn ở tắt cả các thời gian bảo quản (Bảng 7 và 8).

- Với PCI có phụ gia khoáng, mức độ giảm cường độ theo thời gian bảo quản phụ thuộc vào lọai và lượng phụ gia khoáng sử dụng (Bảng 7).

+ Với POI có tro bay, mức độ giảm cường độ tương đối của mẫu PCB có 10%, 20% và 30% (tương ứng với mẫu kí hiệu là PCI-1, PCI-4 và PCI-7) bảo quản sau 3 tháng so với cường độ của chính các mẫu đó sau 24 giờ bảo quản tương ứng 19,7%, 16,8% và 22,1% đều thấp hơn so với mức độ giảm cường độ của PCI sau 3 tháng bảo quản (22,8%).

+ Khi PCI trộn lẫn với bazan, mức độ giảm cường độ tương đối của mẫu PCB có 10%, 20% và 30% (tương ứng với mẫu kí hiệu là PCI-2, PCI-5 và PCI-8) bảo quản sau 3 tháng so với cường độ của chính các mẫu đó sau 24 giờ bảo quản tương ứng 18,1%, 18,8% và 19,9% và đều thắp hơn so với mức độ giảm cường độ của PCI sau 3 tháng bảo quản (22,8%).

+ Khi sử dụng bột đá vôi pha vào xi măng PCI, mức độ giảm cường độ tương đối của mẫu khi pha 10% (mẫu PCI-3), 20% (mẫu PCI-6) và 30% (mẫu PCI-9) bảo quản sau 3 tháng so với cường độ của chính các mẫu đó sau 24 giờ bảo quản tương ứng 20,2%, 22,1% và 23.5%. Như vậy mẫu xi măng PGI có pha 30% bột đá vôi có mức độ giảm cường độ lớn hơn không đáng kề so với mức độ giảm cường độ của PCI sau 3 tháng bảo quản (22,8%).

Như vậy với các mẫu PCB chế tạo từ PCI và các loại phụ gia khoáng, mức độ giảm cường độ tương đối sau 3 tháng bảo quản đều thấp hơn so với mẫu PCI trừ mẫu PCB có sử dụng 30% bột đá vôi.

- Xi măng poóc lăng có độ mịn cao hơn (PCII) pha trộn với phụ gia khoáng, mức suy giảm cường độ khác nhau với các loại phụ gia nhưng mức độ giảm đều nhỏ hơn so với xi măng poóc lăng (PCII) không có phụ gia khoáng. Với tắt cả các mẫu xi măng, thời gian bảo quản cảng lâu, sự suy giảm cường độ càng lớn (Bảng 8).

Với các mẫu PCII có tro bay: mức suy giảm cường độ nén của mẫu PCII-1 (10% tro bay), mẫu PCII-4 (20%) và mẫu PCII-7 (30% tro bay) sau 3 tháng bảo quản (so với cường độ của mẫu đó sau 24 giờ bảo quản) tương ứng là 20,5; 20,5 và 22,9%. Với các mẫu PCII có bazan: khi bảo quản 3 tháng, cường độ của các mẫu PCB giảm đi tương ứng là 20,8% với mẫu PCII-2 (10% bazan); 19,3% với mẫu PCII-5 (20%) và 23,3% với mẫu PCII-8 (30% đá bazan) so với cường độ nén của các mẫu xi măng đó sau thời gian bảo quản 24 giờ. Khi sử dụng bột đá vôi pha vào xi măng PCII cho thấy: sau khi bảo quản 3 tháng, mức suy giảm cường độ tương ứng là 22% với mẫu PCII-3 (10% bột đá vôi); 21,1% với mẫu PCII-6 (20% bột đá) và 27,3% với mẫu PCII-9 (30% bột đá vôi) so với cường độ ban đầu của các mẫu xi măng đó sau thời gian bảo quản 24 giờ. Mức độ giảm cường độ sau 3 tháng bảo quản của tắt cả các mẫu xi măng PCII có phụ gia khoáng đều nhỏ hơn so với xi măng PCII không có phụ gia khoáng (28,6%).

- Kết quả thí nghiệm cho thấy: tắt cả các mẫu xi măng có phụ gia khoáng đều có mức độ giảm cường độ sau 3 tháng bảo quản nhỏ hơn so với mẫu xi măng không có phụ gia khoáng, trừ mẫu PCI có 30% bột đá vôi có mức độ giảm cường độ cao hơn không đáng kể. Xi măng poóc lăng sử dụng hàm lượng phụ gia khoáng càng lớn và thời gian bảo quản càng lâu thì mức độ suy giảm cường độ tăng lên (Bảng 7 và 8). Tuy nhiên sự thay đổi cường độ nén tương đối của các mẫu PCI và PCII có pha phụ gia khoáng 10, 20 và 30% thay đổi khác nhau phụ thuộc vào hàm lượng phụ gia khoáng sử dụng. Điều này là do ảnh hưởng của loại và hàm lượng của phụ gia khoáng đến đặc tính cường độ của xi măng poóc lăng trộn lẫn (Bảng 9 và 10).

- Trong các loại PCB nghiên cứu, xi măng pha trộn bột đá vôi có mức độ giảm cường độ cao nhất, nhưng chỉ với mẫu xi măng PCI có 30% bột đá vôi có mức độ suy giảm cường độ lớn hơn PCI không đáng kể sau 3 tháng bảo quản. Điều này được lý giải là do với 30% bột đá vôi pha trộn vào PCI đã làm giảm đáng kể cường độ của PCI trộn lẫn do sự giảm mạnh hàm lượng khoáng clanhke, vai trò hoạt tính yếu của bột đá vôi và hiệu quả phân tán không cao do độ mịn xi măng thắp. Tuy nhiên mức độ suy giảm cường độ của PCI có bột đá vôi bảo quản vẫn nhỏ hơn khi so sánh với mức độ giảm cường độ của mẫu PCI không có bột đá vôi. Với tắt cả các mẫu xi măng PCII có pha trộn phụ gia khoáng đến 30% đều có mức độ suy giảm cường độ thấp hơn so với PCII với tất cả các thời gian bảo quản nghiên cứu. Với hai loai PCI và PCII pha trộn với cùng hàm lượng phụ gia khoáng và cùng thời gian bảo quản, cường độ của các mẫu PCII có phụ gia khoáng bị giảm đi lớn hơn. Điều này được lý giải là do độ mịn của xi măng tăng lên, khả năng hút ẩm tăng lên, do đó mức độ suy giảm cường độ sẽ tăng lên. Với các mẫu xi măng hỗn hợp, hàm lượng phụ gia càng lớn thì mức độ suy giảm cường độ theo thời gian bảo quản có xu hướng tăng lên. So sánh ảnh hưởng của loại và hàm lượng phụ gia khoáng đến sự suy giảm cường độ của xi măng poóc lăng có độ mịn khác nhau theo thời gian bảo quản (Bảng 9 và 10) cho thấy: độ mịn của xi măng càng cao, cường độ nén của các mẫu xi măng giảm càng lớn, nhưng mức độ suy giảm cường độ của các mẫu xi măng độ mịn cao pha phụ gia khoáng có giá trị thắp hơn.

4. Kết luận

Khi bảo quản xi măng poóc lăng có 10-30% phụ gia khoáng trong điều kiện phòng thí nghiệm đến 3 tháng:

- Với xi măng poóc lăng có độ mịn càng cao, thời gian bảo quản càng lâu thì mức độ suy giảm cường độ càng lớn.

- Mức độ suy giảm cường độ của xi măng poóc lăng có phụ gia khoáng có xu hướng chậm hơn so với xi măng không có phụ gia theo thời gian bảo quản. Theo thời gian bảo quản, xi măng có pha đá bazan và tro bay có mức độ suy giảm cường độ thấp hơn so với xi măng có pha bột đá vôi.

- Với cùng loại, độ mịn và hàm lượng phụ gia khoáng pha trộn, xi măng poóc lăng có độ mịn cao có mức độ suy giảm cường độ nén thắp hơn theo thời gian bảo quản.

Khi sử dụng phụ gia khoáng pha vào xi măng, tùy theo loại phụ gia và hàm lượng phụ gia pha vào mà có mức độ ảnh hưởng khác nhau đến đặc tính cường độ nén:

- Đá bazan và tro bay có ảnh hưởng tốt hơn bột đá vôi đến đặc tính cường độ của xi măng. Hàm lượng phụ gia tro bay, đá bazan từ 15-20% và bột đá vôi khoảng 10-12% theo khối lượng có thể giữ vững cường độ xi măng poóc lăng.

- Khi hàm lượng phụ gia pha vào xi măng lớn hơn hàm lượng này, hàm lượng phụ gia pha vào càng tăng thì cường độ xi măng hỗn hợp càng giảm.

Trên đây là những kết quả khảo sát ban đầu về ảnh hưởng của phụ gia khoáng đến sự suy giảm cường độ của xi măng poóc lăng theo thời gian bảo quản. Thực tế tác giả chỉ mới khảo sát được ảnh hưởng của mùa thu và mùa đông của năm có nhiệt độ và độ âm tương đối trung bình tương ứng là khoảng 24°C và 69%, vì vậy kết quả nghiên cứu khảo sát này chưa phản ánh được ảnh hưởng của điều kiện thời tiết trong cả năm, đặc biệt là mùa xuân thường có độ ẩm cao và nhiệt độ thấp. Mặt khác trong bài bảo này tác giả mới tập trung vào ảnh hưởng của một số loại phụ gia khoáng đến sự suy giảm cường độ của xi măng theo thời gian bảo quản, còn ảnh hưởng của nó đến các đặc tính khác sẽ giới thiệu trong bài viết khác.

Để đánh giá được sát thực ảnh hưởng của phụ gia khoáng đến sự suy giảm đặc tính cường độ của xi măng cần phải tiếp tục khảo sát:

- Khảo sát ảnh hưởng của phụ gia khoáng đến sự suy giảm cường độ của xi măng bảo quản trong mùa xuân và mùa hè vì khí hậu 4 mùa trong năm có nhiệt độ, độ âm khác nhau.

- Cần khảo sát thêm ảnh hưởng của độ mịn của phụ gia đến sự suy giảm cường độ và các đặc tính khác của xi măng theo thời gian bảo quản lâu hơn 3 tháng.

- Ảnh hưởng của các loại phụ gia khoáng đến các loại xi măng có thành phần khác nhau theo thời gian bảo quản.

Tài liệu tham khảo

1. Vũ Đình Đắu, Bùi Danh Đại (2006), Chắt kết dính vô cơ, Nhà xuất bản xây dựng.

2. K.G Babu, G. S.N Rao (1993), “Efficience of pozzolans in cement composites", Concrete 2000, Published by L& EN Spon, Edited by Ravindra K. Dhir and Roderick .Jones, pp. 497- 509.

3. A. Bentur (1990), “Microstructure, interfacial effects and micro-mechanies of cementifious composites”, Proceedings of conference on Advances in Cemeriitious Materials, Gaiithersgug, Maryland, Ceram, Trans, V. 16, pp, 523- 549.

4. l. Soroka and N. Setter (1977), “The effect of fillers on strength of cement mortars”, Cemenf and concrefe research, Printed in the United States, V. 7, pp. 449- 456.

5. K. Ganesh Babu, G. Siva Nageswwara Rao (1996), “Efficience of fly Ash in concrete wwith age”, Cemenf and concrefe research, Printed in the USA, V.26, pp. 465-474.

6. K. G Babu, G. S.N Rao (1993), “Efficience of pozzolans in cement composites”, Concrete 2000, Published by L& EN Spon, Edited by Ravindra K. Dhir and Roderick Jones, pp. 497- 509.

7. Roshi, R.C. and Rosauer, E.A, (1973), “Pozzolanic activity in the synthetic fly ashes, II. Pozzolaniec behavior”, Am. Cerm, Soc. Bull.52, 459-463.

8. Hanna, K.M. and Afify, A. (1974), “Evaluation of the activity of pozzolaanic materials”, .J. Appl. Biotechnol., 24, 751- 759.

9. Takemoto, K. and Uchikawa, H.(1980), “Hydration of pozzolanic cement. 7” Int. Congress on the Chemistry of Cement”, Principal reporis, SETIMA, paris, 1980, Vol.1, pp. IV-2/1-IV-2/28.

10. Massazza, F, (1974), “Chemistry of pozzolanic additions and mixed cements”, 6”, Inf. Cong. Chem. Cem, Moscow.

11. Vu, D.D eí al. (2001), “Strength and durability aspects of calcined kaolin-blended Portland cement mortar and concrete”, Cem. Conc. Comp., 471-478.

12. l. Soroka and N. Setter (1976), “Calcareous fillers on strength of portlaand cement”, Cement and concrete research, V. 6, pp. 367- 376.

13. W. Reichel (1961), “The influence of different types offines on the properties of set cement paste”, Proc. 6” Con. Silicate Ind, Budapest 1961.

14. |. Soroka and C. H. Jaegermamn (1974), “Puzzolanic strength and soluble- silica content cement paste”, Ceram. Soc., V.57, pp. 534- 442.

15. TCVN về vật liệu xây dựng, (2006).

ximang.vn (TH/ Tạp chí KHCNXD)