Nghiên cứu sử dụng diatomite phú yên làm phụ gia sản xuất xi măng và bê tông nhẹ

Tuyển tập Báo cáo “Hội nghị Sinh viên Nghiên cứu Khoa học” lần thứ 6 Đại học Đà Nẵng - 2008 247 NGHIÊN CỨU SỬ DỤNG DIATOMITE PHÚ YÊN LÀM PHỤ GIA SẢN XUẤT XI MĂNG VÀ BÊ TÔNG NHẸ APPLICATION PHU YEN’S DIATOMITE AS AN ADDITIVE FOR PRODUCING CEMENT AND LIGHT WEIGHT CONCRETE SVTH: NGUYỄN XUÂN HOÀNG,A NGUYỄN BẢO VÂN, A TRẤN THANH TUẤN,B GVHD: PHẠM CẨM NAMC a Lớp 03H1, Trường Đại học Bách Khoa Đà Nẵng b Học viên cao học khóa 2006-2008, Khoa Hóa, Đại học Khoa Học Huế c Giảng viên Kh oa Hóa, Trường ĐHBK, 54 Nguyễn Lương Bằng, Liên Chiểu Đà Nẵng TÓM TẮT Trong bài báo này ảnh hưởng của hàm lượng diatomite Phú Yên đến các tính chất của xi măng hỗn hợp đã được nghiên cứu. Đất diatomite Phú Yên thể hiện đặc tính phụ gia puzzolana. Bên cạnh đó việc ứng dụng diatomite Phú Yên cho bê tông nhẹ cũng được đề cập thông qua việc đánh giá cướng độ nén sau 3, 7 và 28 ngày dưỡng hộ. ABSTRACT In this paper the affect of Phu Yen’s diatomite addition on blended cement properties was studied including both physical and mechanical ones. Phu Yen diatomite is characterized as natural pozzolana. Besides the application of Phu Yen diatomite for light weight concrete (LWC) has also been mentioned through the compressive strength 3, 7 and 28 days in curing. 1. Giới thiệu Trong những năm gần đây, công tác khai thác, chế biến khoáng sản, đặc biệt là vàng, bạc, thiếc, quặng đa kim, đá quý, v.v Được triển khai mạnh mẽ ở nhiều địa phương trên phạm vi cả nước, tuy vậy không phải trong mọi trường hợp đều đạt được hiệu quả kinh tế mong muốn nếu như không nói đến thua lỗ và những hậu quả phá hoại môi trường nghiêm trọng đã xảy ra. Trong khi đó ở nhiều địa phương tồn tại một tiềm năng to lớn hơn về một loại khoáng sản tuy không quý hiếm như vàng, bạc nhưng điều kiện khai thác, chế biến lại đơn giản hơn và có thể sử dụng rộng rãi trong đời sống hàng ngày và chắc chắn có ý nghĩa kinh tế và xã hội cao hơn, nhưng vẫn thường bị xem nhẹ, đó là phụ gia hoạt tính tự nhiên puzolan, nguồn nguyên liệu không thể thiếu trong công nghệ sản xuất xi măng và vật liệu xây dựng không nung, đặt biệt có ý nghĩa trong các khu vực miền núi, vùng xa và hải đảo. Nguyên liệu puzzolana được sử dụng bao gồm các nguyên liệu tự nhiên như đá tuffs, tro xỉ núi lửa, metacaoline, zeolite, diatomite...[14] Mỏ quặng diatomite tại huyện Tuy An, Phú Yên với trữ lượng dự báo hơn 63 triệu tấn là loại quặng được ứng dụng rộng rãi trong nhiều ngành công nghiệp mà tiêu biểu trong công nghệ sản xuất vật liệu xây dựng. Các ứng dụng của diatomite đã được nghiên cứu và sử dụng từ rất lâu. Một trong những ứng dụng ban đầu là vật liệu nhẹ.[4][5] Bên cạnh việc sản xuất các sản phẩm vật liệu nhẹ cách nhiệt chịu nhiệt, diatomite còn được nghiên cứu sử dụng sản xuất các sản phẩm vật liệu nhẹ cách âm cách nhiệt sử dụng trong xây dựng như gạch block nhẹ, panel nhẹ, các loại vật liệu chống nóng cho tầng trên cùng các nhà cao tầng. Khả năng ứng dụng của diatomite Phú Yên vào sản xuất vật liệu nhẹ với chất liên kết là xi măng đã được đề ra nhưng vẫn chưa có một cách hệ thống. Tuyển tập Báo cáo “Hội nghị Sinh viên Nghiên cứu Khoa học” lần thứ 6 Đại học Đà Nẵng - 2008 248 Hiện nay, một vấn đề khác đang được quan tâm đối với các công trình cao tầng là làm sao giảm được đáng kể khối lượng các kết cấu, tạo điều kiện thi công dễ dàng và đặc biệt giảm được đáng kể khối lượng của kết cấu móng, giảm giá thành của các công trình xây dựng. Từ đó, công nghệ bê tông nhẹ là phương pháp lựa chọn tối ưu nhất cho các công trình này.[1] Với những mục đích đề ra, chúng tôi đề xuất đề tài "Nghiên cứu sử dụng diatomite Phú Yên làm phụ gia cho sản xuất xi măng và bê tông nhẹ" 2. Nguyên liệu và phương phương pháp nghiên cứu 2.1. Nguyên liệu Các loại nguyên liệu được sử dụng cho quá trình nghiên cứu bao gồm: Clinker của nhà máy xi măng Long Thọ; Xi măng PC40 của nhà máy xi măng Lusk; Thạch cao - phụ gia điều chỉnh tốc độ ninh kết có nguồn gốc ở Lào; Diatomite Phú Yên; Cát Túy Loan; Đá phước Tường; Xốp PS được mua ở dạng xốp hạt hay tận dụng từ xốp phế thải với kích thước 1:2 cm. 2.2. Phương pháp nghiên cứu - Trong quá trình nghiên cứu thì chúng tôi sử dụng các tiêu chuẩn sau: TCVN 141:1998, TCVN 4787:2001, TCVN 6016:1995, TCVN 6017:1995.TCVN 4030:2003,TCVN 6882:2001, TCVN 3118:1993, TCVN 3115:1993. - Phương pháp phân tích nhiệt (DTA) dùng xác định sự chuyển hóa nhiệt của phụ gia hoạt tính diatomite 3. Kết quả nghiên cứu 3.1. Độ hoạt tính của diatomite Hình 3.1: Hoạt tính của diatomite theo nhiệt độ Hình 3.2: Giản đồ DTA-TG Nhận xét: Dựa vào đồ thị hình 3.1, nhận thấy rằng độ hoạt tính của diatomite Phú Yên lớn nhất khi gia nhiệt ở 6000C (192.3mg CaO/1g diatomite). Do đó Phú Yên được đánh giá là loại phụ gia có chỉ số hoạt tính khá cao, có thể sử dụng làm phụ gia cho xi măng. Để giải thích tại sao lại có sự thay đổi độ hoạt tính của diatomite theo nhiệt độ và thời gian lưu thì ta có thể dựa vào giản đồ DTA-TG trên hình 3.2. Tại nhiệt độ 102.70C có một peak thu nhiệt là do quá trình mất nước lý học. Do đó độ hoạt tính ở 1000C khá cao 173mg CaO/g phụ gia. Ở 535.660C có một peak thu nhiệt khác là do quá trình mất nước hóa học, nên độ hoạt tính của diatomite ở 5000C, 6000C khá cao, mà cao nhất là ở 6000C với thời gian lưu 2h. Do với thời gian lưu 2h thì quá trình mất nước xảy ra hoàn toàn, còn lưu với khoảng thời gian 3h thì diatomite đã chuyển SiO2 từ dạng vô định hình Đồ Thị Biểu Diễn Độ Hoạt Tính Của Diatomite Ở Các Mức Nhiệt Độ Khác Nhau 0.0 25.0 5 .0 75.0 100.0 125.0 150.0 175.0 200.0 225.0 1 2 3 1 2 3 1 2 3 1 2 3 1 h Độ hút vôi mgCaO/g 500 0 C 600 0 C 700 0 C 100 0C 800 0 C Furnace temperature /°C0 200 400 600 800 1000 TG/% -9 -6 -3 0 3 6 9 d TG/%/min -3 -2 -1 HeatFlow/µV -20 -10 0 10 20 Mass variation: -6.35 % Mass variation: -4.22 % Peak :102.70 °C Peak :535.66 °C Fig re: 03/11/2008 Mass (mg): 43.18 Crucible:PT 100 µl Atmosphere:AirExperiment: Quang diatomit Procedure: 30 ----> 1200C (10 C.min-1) (Zone 2)Labsys TG Exo Tuyển tập Báo cáo “Hội nghị Sinh viên Nghiên cứu Khoa học” lần thứ 6 Đại học Đà Nẵng - 2008 249 sang dạng tinh thể nên độ hoạt tính của diatomite ở 6000C với thời gian lưu 3h thấp hơn độ hoạt tính của diatomite ở 6000C với thời gian lưu 2h. 3.2. Lượng nước tiêu chuẩn và thời gian đồng kết Bảng 3.1: Lượng nước tiêu chuẩn và thời gian đông kết Nhiệt độ ( 0 C) Mẫu Lượng nước tiêu chuẩn, % Thời gian đông kết Bắt đầu (phút) Kết thúc (h) PC 26.00 128 180 100 D-10 30.50 110 182 D-20 36.25 116 185 D-30 39.00 138 191 300 D-10 31.00 114 184 D-20 36.75 100 168 D-30 39.50 104 170 400 D-10 31.50 108 177 D-20 36.75 104 171 D-30 39.50 102 170 500 D-10 31.75 108 176 D-20 37.00 112 170 D-30 39.75 105 170 600 D-10 31.75 113 175 D-20 37.50 118 172 D-30 39.75 107 168 700 D-10 32.25 106 174 D-20 38.25 102 171 D-30 40.00 100 170 800 D-10 31.00 118 182 D-20 37.00 122 186 D-30 39.00 130 190 D10: 10% diatomite; D20: 20% diatomite. D30: 30% diatomite. PC: xi măng gốc. - Lượng nước tiêu chuẩn tăng theo hàm lượng của diatomite pha vào clinker (Bảng 3.1). Nguyên nhân do diatomite là phụ gia thủy hoạt tính thành phần chủ yếu của nó là SiO2 hoạt tính có khả năng hút nước rất mạnh một phần tử SiO2 hoạt tính có thể hấp thụ hàng trăm đến hàng ngàn phân tử nước. Vì vậy, khi tăng hàm lượng phụ gia thủy hoạt tính thì lượng nước tiêu chuẩn sẽ tăng. Do phản ứng giữa puzzolana với Ca(OH)2 tiến triển chậm hơn so với phản ứng hydrat hóa các khoáng của clinker xi măng portland nên thời gian bắt đầu và kết thúc ninh kết tăng theo hàm lượng diatomite pha vào. Do đó, xi măng chứa phụ gia thủy thường ninh kết chậm hơn so với xi măng portland thường và khi tăng hàm lượng phụ gia thủy thì thời gian ninh kết tăng lên.[2] 3.2.1. Cường độ nén và uốn của xi măng Tuyển tập Báo cáo “Hội nghị Sinh viên Nghiên cứu Khoa học” lần thứ 6 Đại học Đà Nẵng - 2008 250 Cường độ nén và uốn của mẫu 40x40x160 mm khi pha phụ gia diatomite vào trong clinker xi măng. Kết quả cho trong bảng 3.2. Bảng 3.2: Cường độ nén và uốn của xi măng Nhiệt độ ( 0 C) Mẫu Cường độ uốn (kG/cm2) Cường độ nén (kG/cm2) Độ suy giảm cường độ (%) R3 R7 R28 R3 R7 R28 PC 4.059 5.148 6.852 20.940 26.600 35.67 0.00 300 D-10 2.800 3.510 6.552 20.000 20.200 34.2 4.12 D-20 2.574 4.212 5.499 13.000 16.200 30.6 14.21 D-30 1.872 2.223 4.095 9.800 14.600 19.4 45.61 400 D-10 3.276 4.446 5.733 17.000 21.400 30.2 15.34 D-20 2.808 3.276 5.148 10.600 15.800 27.4 23.18 D-30 2.457 3.744 5.031 9.700 15.400 25.2 29.35 500 D-10 2.574 3.276 5.148 18.290 20.200 29 18.70 D-20 2.223 3.393 4.914 16.550 17.400 28.2 20.94 D-30 1.521 2.574 4.329 14.100 13.400 21.4 40.01 -Khi tỉ lệ phụ gia pha vào cliker xi măng tăng lên thì cường độ giảm dần. Do khi pha phụ gia thủy hoạt tính vào xi măng thì nó sẽ tác dụng với vôi do quá trình hydrat vôi tự do và quá trình thủy hóa các khoáng silicat canxi tạo ra các khoáng có tính kết dính, ít tan hoặc không tan, mặc dù làm tăng tính bền nước và bền sunfat. Thực chất làm tăng cường độ nói chung nhưng cường độ xi măng nói chung giảm trong thời gian đầu. Tuy nhiên, càng về sau cường độ càng tăng hơn so với xi măng không pha phụ gia. Hàm lượng phụ gia pha vào nhiều sẽ làm cho cường độ giảm và việc pha phụ gia còn phụ thuộc vào nhiều yếu tố như: thành phần khoáng, độ hoạt tính, loại phụ gia, cường độ xi măng cần sản xuất.[2][4] 3.2.2. Cường độ nén của bê tông ở các độ tuổi khác nhau -Dựa vào số liệu thực tế có được ta thấy rằng cường độ của bê tông chế tạo từ các loại cốt liệu diatomite và xốp có cường độ giảm rất nhiều so với bê tông đi từ cốt liệu đá dăm. Với cường độ như vậy thì ta không thể dùng để thi công cho các kết cấu chịu lực được mà chỉ có thể dùng để thi công cho tường trong hay tường ngăn. Khối lượng của bê tông từ cốt liệu là diatomite và đá dăm giảm nhiều so với bê tông cốt liệu là đá dăm, nên khi đưa vào thi công thì nó góp phần làm giảm một cách đáng kể khối lượng của các công trình. Nhận xét: -Dựa vào số liệu thực tế có được ta thấy rằng cường độ của bê tông chế tạo từ các loại cốt liệu diatomite và xốp có cường độ giảm rất nhiều so với bê tông đi từ cốt liệu đá dăm. Với cường độ như vậy thì ta không thể dùng để thi công cho các kết cấu chịu lực được mà chỉ có thể dùng để thi công cho tường trong hay tường ngăn. -Khối lượng của bê tông từ cốt liệu là diatomite và đá dăm giảm nhiều so với bê tông cốt liệu là đá dăm, nên khi đưa vào thi công thì nó góp phần làm giảm một cách đáng kể khối lượng của các công trình. -Độ lưu động của bê tông giảm khi ta sử dụng cốt liệu là diatomite và xốp. Tuyển tập Báo cáo “Hội nghị Sinh viên Nghiên cứu Khoa học” lần thứ 6 Đại học Đà Nẵng - 2008 251 Bảng 3: Cường độ của bê tông sử dụng cốt liệu khác nhau Loại cốt liệu Khối lượng mẫu Độ sụt Cường độ nén (MPa) R3 R7 R28 Đá dăm 2.25 3.10 10.602 22.900 32.633 diatomite 1.50 1.80 4.650 8.190 9.136 Xốp dạng sỏi 0.70 1.10 0.473 1.092 1.265 A 2.01 2.50 5.961 11.060 12.476 B 1.39 1.70 1.911 2.500 4.622 C 1.82 2.20 3.185 5.960 8.272 Xốp hạt 0.26 0.31 0.410 0.946 1.025 50% xốp bẻ + 50% xốp hạt 0.46 0.55 0.590 1.361 1.575 A: 50% đá dăm + 25% diatomite + 25% xốp bẻ; B: 50% xốp bẻ + 25% đá dăm + 25% diatomite; C: 40% đá dăm + 30% diatomite + 30% xốp 4. Kết luận Từ kết quả nghiên cứu chúng tôi rút ra được những kết luận sau: -Diatomite là một loại phụ gia thủy hoạt tính mạnh với độ hoạt tính xấp xỉ 192.3 mg CaO/1g phụ gia ở nhiệt độ 6000C với thời gian lưu 2h. Diatomite hoàn toàn có thể sử dụng làm phụ gia cho xi măng. -Diatomite có thể dùng làm cốt liệu cho sản xuất gạch panel với các ưu điểm cách âm, cách nhiệt và chịu nhiệt. Có thể tận dụng xốp phế thải qua quá trình gia công rồi kết hợp với diatomite để làm cốt liệu cho các loại tường trong. Đem lại hiệu quả kinh tế và hiệu quả về bảo vệ môi trường. TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] Nguyễn Văn Phiêu, Nguyễn Văn Chánh (2005), Công nghệ bê tông nhẹ; Nxb Xây Dựng, Hà Nội. [2] Nguyễn Tấn Quý, Nguyễn Thiện Ruệ (2005) Giáo trình công nghệ bê tông xi măng, Nxb Giáo Dục. [3] Phạm Huy Chính (2007) Thiết kế thành phần bê tông, Nxb Xây Dựng. [4] H. F. W. Taylor (1997), Cement Chemistry, Thomas Telford. [5] Osman Unal, Tayfun Uygunoglu, Ahmet Yildiz (2005), Investigation of properties of low-strength lightweight concrete for thermal insulation, Building and Environment 42 (2007) 584–590