Có thể nói: nước ta đã đi tiên phong trong việc sử dụng các chất phụ gia (poozolana) ở tỷ lệ cao. Một trong những phụ gia đó là đá vôi, một thứ phụ gia sẵn nhất, gần nhất và rẻ nhất. Khi pha vào xi măng, đá vôi mang lại lợi ích đáng kể về kinh tế. Cũng như những phụ gia khác, khi pha vào xi măng, đá vôi có những ảnh hưởng lên cơ, lý và hóa tính của xi măng thành phẩm. Do đó cũng có những ảnh hưởng nào đó lên quá trình sử dụng nó cho những người dùng cuối.
>> Cái nhìn mới về xi măng Porland – Đá vôi (P1)
4. Ảnh hưởng đến bê tông đã đóng rắn
Ảnh hưởng tới cường độ
Chất lượng và số lượng đá vôi được sử dụng đóng vai trò chính trong cường độ của bê tông được sản xuất với xi măng XPV.
Các nghiên cứu đã chỉ ra rằng hàm lượng đá vôi lên đến 15% thực sự có thể làm tăng cường độ tuổi sớm do kết quả của việc cải thiện việc đóng rắn hạt, làm tăng tỷ lệ hydrat hóa xi măng và sản xuất canxi carboaluminate.
Hoạt tính của đá vôi đã được tranh luận. Trong khi hầu hết các nhà nghiên cứu trước đây tin rằng đá vôi được sử dụng làm chất độn trơ, nghiên cứu cho thấy đá vôi có phản ứng ở mức độ hạn chế. Khi các hạt đá vôi trở nên mịn hơn, phản ứng này có nhiều khả năng hơn. Các nghiên cứu phát hiện ra rằng ở nồng độ thấp, đá vôi (calcite) phản ứng hoàn toàn để tạo thành các pha carboaluminate khác nhau.
Khi tăng lượng đá vôi trong xi măng để đạt được cường độ cao hơn, sẽ có một giới hạn. Sử dụng số lượng lớn đá vôi (15% đến 25%) có thể dẫn đến sự pha loãng của bột nhão, và điều đó có thể dẫn đến việc bắt đầu làm giảm cường độ.
Các thử nghiệm cho thấy xi măng đá vôi có sự hợp lực đặc biệt với tro bay loại C dẫn đến cường độ nén cao hơn.
Ảnh hưởng đến tính thấm
Nhiều phương pháp thử nghiệm đã được phát triển để đo lường sức đề kháng của bê tông đối với sự xuyên thấu của các chất lỏng như nước, hơi hoặc khí và các loại chất xâm thực đi kèm như clorua hoặc sunfat. Bất kể phương pháp thử nào được áp dụng, người ta thường cho rằng tính bền và tuổi thọ của bê tông được cải thiện với khả năng chống lại sự di chuyển của chất lỏng và các loại ion.
Tính thấm đã được chứng minh là bị suy giảm do sử dụng đá vôi, do giảm tính kết nối của các lỗ rỗng. Điều này là do các cơ chế vật lý như tăng mật độ hạt đóng rắn và mật độ bột nhào, và hiện tượng vị trí tạo mầm đã được thảo luận trên đây. Đó cũng là do các phản ứng hóa học nhẹ của đá vôi. Canxi carbonat cũng phản ứng với các hợp chất aluminate trong xi măng và VDB để tạo ra các tinh thể carboaluminate bền. Một tác dụng phụ khác bao gồm ổn định ettringite và tăng tổng khối lượng sản phẩm hydrat hóa, do đó làm giảm độ xốp và tăng cường độ.
Tương tác với VDP và phụ gia
Việc sử dụng XPV có thể làm tăng hiệu quả của các VDB như tro bay và xỉ. Như đã đề cập ở trên, xi măng đá vôi hoạt động đặc biệt tốt với tro bay loại C. Đá vôi trong XPV có thể chống lại các hiệu ứng làm chậm đông của các chất VDB.
Các nghiên cứu cho đến nay chưa tiết lộ bất kỳ ảnh hưởng đáng kể nào của XPV đến hiệu quả của các phụ gia. Nghiên cứu gần đây chỉ ra rằng, một lượng hỗn hợp khí cao hơn một chút là cần thiết trong các cối vữa được chế tạo bằng XPV so với các xi măng Portland, nhưng điều này có thể là do xi măng mịn hơn. Số lượng cũng nằm trong phạm vi bình thường được đề xuất bởi nhà sản xuất và không mở rộng cho hỗn hợp bê tông.
Các lợi ích thiết thực về môi trường
Phát thải carbon dioxide (CO2) của các nhà máy xi măng chủ yếu đến từ hai nguồn: nung đá vôi, một thành phần thô chính để sản xuất clinker; và tiêu thụ nhiên liệu hóa thạch để làm nóng nguyên liệu thô đến nhiệt độ cần thiết để tạo thành clinker.
Hiệu quả bền vững chính của việc sử dụng đá vôi làm thành phần trong xi măng hỗn hợp ở mức 5% đến 15% khối lượng là clinker phải được sản xuất ít hơn cho cùng một lượng xi măng, do đó tiêu thụ ít năng lượng hơn và phát thải ít CO2 và khí nhà kính khác hơn. Điều này có thể được nhìn thấy trong Bảng 2.
4. Ảnh hưởng đến bê tông đã đóng rắn
Ảnh hưởng tới cường độ
Chất lượng và số lượng đá vôi được sử dụng đóng vai trò chính trong cường độ của bê tông được sản xuất với xi măng XPV.
Các nghiên cứu đã chỉ ra rằng hàm lượng đá vôi lên đến 15% thực sự có thể làm tăng cường độ tuổi sớm do kết quả của việc cải thiện việc đóng rắn hạt, làm tăng tỷ lệ hydrat hóa xi măng và sản xuất canxi carboaluminate.
Hoạt tính của đá vôi đã được tranh luận. Trong khi hầu hết các nhà nghiên cứu trước đây tin rằng đá vôi được sử dụng làm chất độn trơ, nghiên cứu cho thấy đá vôi có phản ứng ở mức độ hạn chế. Khi các hạt đá vôi trở nên mịn hơn, phản ứng này có nhiều khả năng hơn. Các nghiên cứu phát hiện ra rằng ở nồng độ thấp, đá vôi (calcite) phản ứng hoàn toàn để tạo thành các pha carboaluminate khác nhau.
Khi tăng lượng đá vôi trong xi măng để đạt được cường độ cao hơn, sẽ có một giới hạn. Sử dụng số lượng lớn đá vôi (15% đến 25%) có thể dẫn đến sự pha loãng của bột nhão, và điều đó có thể dẫn đến việc bắt đầu làm giảm cường độ.
Các thử nghiệm cho thấy xi măng đá vôi có sự hợp lực đặc biệt với tro bay loại C dẫn đến cường độ nén cao hơn.
Ảnh hưởng đến tính thấm
Nhiều phương pháp thử nghiệm đã được phát triển để đo lường sức đề kháng của bê tông đối với sự xuyên thấu của các chất lỏng như nước, hơi hoặc khí và các loại chất xâm thực đi kèm như clorua hoặc sunfat. Bất kể phương pháp thử nào được áp dụng, người ta thường cho rằng tính bền và tuổi thọ của bê tông được cải thiện với khả năng chống lại sự di chuyển của chất lỏng và các loại ion.
Tính thấm đã được chứng minh là bị suy giảm do sử dụng đá vôi, do giảm tính kết nối của các lỗ rỗng. Điều này là do các cơ chế vật lý như tăng mật độ hạt đóng rắn và mật độ bột nhào, và hiện tượng vị trí tạo mầm đã được thảo luận trên đây. Đó cũng là do các phản ứng hóa học nhẹ của đá vôi. Canxi carbonat cũng phản ứng với các hợp chất aluminate trong xi măng và VDB để tạo ra các tinh thể carboaluminate bền. Một tác dụng phụ khác bao gồm ổn định ettringite và tăng tổng khối lượng sản phẩm hydrat hóa, do đó làm giảm độ xốp và tăng cường độ.
Tương tác với VDP và phụ gia
Việc sử dụng XPV có thể làm tăng hiệu quả của các VDB như tro bay và xỉ. Như đã đề cập ở trên, xi măng đá vôi hoạt động đặc biệt tốt với tro bay loại C. Đá vôi trong XPV có thể chống lại các hiệu ứng làm chậm đông của các chất VDB.
Các nghiên cứu cho đến nay chưa tiết lộ bất kỳ ảnh hưởng đáng kể nào của XPV đến hiệu quả của các phụ gia. Nghiên cứu gần đây chỉ ra rằng, một lượng hỗn hợp khí cao hơn một chút là cần thiết trong các cối vữa được chế tạo bằng XPV so với các xi măng Portland, nhưng điều này có thể là do xi măng mịn hơn. Số lượng cũng nằm trong phạm vi bình thường được đề xuất bởi nhà sản xuất và không mở rộng cho hỗn hợp bê tông.
Các lợi ích thiết thực về môi trường
Phát thải carbon dioxide (CO2) của các nhà máy xi măng chủ yếu đến từ hai nguồn: nung đá vôi, một thành phần thô chính để sản xuất clinker; và tiêu thụ nhiên liệu hóa thạch để làm nóng nguyên liệu thô đến nhiệt độ cần thiết để tạo thành clinker.
Hiệu quả bền vững chính của việc sử dụng đá vôi làm thành phần trong xi măng hỗn hợp ở mức 5% đến 15% khối lượng là clinker phải được sản xuất ít hơn cho cùng một lượng xi măng, do đó tiêu thụ ít năng lượng hơn và phát thải ít CO2 và khí nhà kính khác hơn. Điều này có thể được nhìn thấy trong Bảng 2.
Phát thải CO2 của sản xuất xi măng Portland hay xi măng Portland-đá vôi từ 3 nhà máy xi măng Đức (theo Schmidt 1992).
Một lợi ích khác của XPV là nhu cầu nguyên liệu thấp hơn, làm giảm tiêu hao tài nguyên thiên nhiên. Để sản xuất một tấn xi măng portland, cần khoảng 1,3 đến 1,4 tấn nguyên liệu thô. XPV cần ít hơn 10% nguyên liệu thô.
5. Tốt cho bạn, tốt cho mọi người
Các nhà sản xuất bê tông đúc sẵn phải luôn luôn cảnh giác với bất kỳ quy trình và vật liệu nào có thể giảm giá thành sản phẩm của họ và cải thiện tính bền vững trong khi không ảnh hưởng tiêu cực đến tính năng. XPV có thể cung cấp một phương tiện cho mục đích đó.
Dữ liệu trong Bảng 1 cho thấy hàm lượng đá vôi của xi măng có thể tăng từ mức thường được sử dụng trong xi măng portland thông thường (khoảng 3,5%) lên 15% trong khi duy trì tính năng tương đương. Điều này có thể dẫn đến giảm tác động môi trường và, trong một số trường hợp, giảm chi phí.
Đạt được tính năng tương đương trong bê tông sử dụng XPV so với xi măng Portland thường là có thể, bởi vì đá vôi nghiền mịn có thể góp vào sự phát triển cấu trúc vi mô, đặc biệt là khi độ mịn và hóa học của xi măng thành phẩm được nhà sản xuất tối ưu hóa. Việc sử dụng XPV phải là sự tích hợp liền mạch trong qúa trình sản xuất bê tông đúc sẵn.
Claude Goguen, P. E., LEED AP - ximang.vn (Biên dịch)
Claude Goguen, P.E., LEED AP, is NPCA’s director of Sustainability and Technical Education. Paul D. Tennis, Ph.D., who contributed to this article, is director of Product Standards and Technology, Portland Cement Association.
References
Peter Hawkins, Paul D. Tennis and Rachel Detwiler, “The Use of Limestone in Portland Cement: A State-of-the-Art Review,” Portland Cement Association, 2003
Portland-Limestone Cements: State-of-the-Art Report and Gap Analysis for CSA A3000
R.D. Hooton, M. Nokken and Michael D.A. Thomas, June 17, 2007
Michael D.A. Thomas and R. Doug Hooton, “The Durability of Concrete Produced with Portland-Limestone Cement: Canadian Studies,” SN3142, Portland Cement Association, 2010
Paul D. Tennis, Michael D.A. Thomas and Jason Weiss, “State-of-the-Art Report on Use of Limestone in Cements at Levels of up to 15%,” SN3148, Portland Cement Association, 2011
