BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI
---------------------------------------

NGUYỄN TIẾN THUẬN

NGHIÊN CỨU ẢNH HƯỞNG CỦA P2O5 TRONG THẠCH
CAO PHOSPHO ĐẾN MỘT SỐ TÍNH CHẤT CƠ LÝ VÀ
QUÁ TRÌNH HYDRAT HÓA CỦA XI MĂNG PC

LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT
KỸ THUẬT HÓA HỌC

Hà Nội – Năm 2019


BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI
---------------------------------------

NGUYỄN TIẾN THUẬN

NGHIÊN CỨU ẢNH HƯỞNG CỦA P2O5 TRONG THẠCH
CAO PHOSPHO ĐẾN MỘT SỐ TÍNH CHẤT CƠ LÝ VÀ
QUÁ TRÌNH HYDRAT HÓA CỦA XI MĂNG PC

Chuyên ngành: KỸ THUẬT HÓA HỌC

LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT
KỸ THUẬT HÓA HỌC

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC:
PGS.TS HUỲNH ĐĂNG CHÍNH

Hà Nội – Năm 2019


Luận văn Thạc sĩ

CBHD: PGS.TS Huỳnh Đăng Chính
LỜI CAM ĐOAN

Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của riêng tôi. Các kết quả nghiên
cứu trình bày trong luận văn là trung thực và chưa từng được công bố trong bất kỳ
công trình nghiên cứu nào khác.
Hà Nội, ngày

tháng

năm 2019

Tác giả luận văn

Học viên: Nguyễn Tiến Thuận

1


Luận văn Thạc sĩ

CBHD: PGS.TS Huỳnh Đăng Chính

MỤC LỤC

LỜI CAM ĐOAN ......................................................................................................1
MỤC LỤC ..................................................................................................................2
LỜI CẢM ƠN ............................................................................................................5
MỘT SỐ KÝ HIỆU VIẾT TẮT SỬ DỤNG TRONG LUẬN VĂN......................6
DANH MỤC BẢNG BIỂU .......................................................................................7
DANH MỤC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ ............................................................................8
PHẦN MỞ ĐẦU ......................................................................................................10
CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN...................................................................................13
1.1 Tổng quan về xi măng Poóc lăng ........................................................................13
1.2 Tổng quan về clanhke .........................................................................................13
1.2.1 Thành phần hoá của clanhke xi măng poóc lăng ........................................13
1.2.2 Thành phần khoáng của clanhke xi măng poóc lăng ..................................16
1.3 Tổng quan về thạch cao.......................................................................................22
1.3.1 Tổng quan về thạch cao tự nhiên .................................................................22
1.3.2 Tổng quan về thạch cao phospho ................................................................25
1.3.3 Ứng dụng của thạch cao phospho ................................................................29
1.4 Quá trình hydrat hoá và đóng rắn của xi măng poóc lăng ..................................32
1.4.1 Quá trình hydrat hoá các khoáng clanhke xi măng poóc lăng ....................32
1.4.2 Quá trình hydrat hoá của các khoáng clanhke khi có mặt thạch cao ..........34
1.4.3 Quá trình đóng rắn xi măng poóc lăng .......................................................37
1.5 Tình hình nghiên cứu trong và ngoài nước .........................................................39
1.5.1 Tình hình nghiên cứu trong nước ................................................................39
1.5.2 Tình hình nghiên cứu ngoài nước ................................................................40
CHƯƠNG 2: NỘI DUNG THỰC NGHIỆM ........................................................47
2.1 Quy trình tiến hành nghiên cứu thực nghiệm......................................................47
2.2 Nguyên vật liệu sử dụng trong nghiên cứu .........................................................47
2.2.1 Clanhke CPC50...............................................................................................47


Học viên: Nguyễn Tiến Thuận

2


Luận văn Thạc sĩ

CBHD: PGS.TS Huỳnh Đăng Chính

2.2.2 Thạch cao tự nhiên .......................................................................................48
2.2.3 Thạch cao phospho ......................................................................................49
2.2.4 Hóa chất bổ sung P2O5 hòa tan ....................................................................50
2.3 Các phương pháp xác định tính chất cơ lý ..........................................................50
2.3.1 Phương pháp xác định cường độ .................................................................50
2.3.2 Phương pháp xác định lượng nước tiêu chuẩn ............................................52
2.3.3 Phương pháp xác định thời gian đông kết ...................................................52
2.3.4 Phương pháp xác định lượng sót sàng .........................................................53
2.3.5 Phương pháp xác định độ mịn blaine ..........................................................54
2.4 Phương pháp xác định nhiệt độ thủy hóa ............................................................55
CHƯƠNG 3: KẾT QUẢ THÍ NGHIỆM VÀ THẢO LUẬN ..............................56
3.1 So sánh thành phần hoá giữa thạch cao tự nhiên và thạch cao phospho.............56
3.2 Chuẩn bị mẫu cấp phối nghiền ............................................................................56
3.3 Nghiền mẫu .........................................................................................................57
3.4 Ảnh hưởng của P2O5 trong thạch cao phospho đến một số tính chất cơ lý của xi
măng PC ....................................................................................................................57
3.4.1 Ảnh hưởng của P2O5 đến một số tính chất cơ lý của xi măng PC sử dụng
thạch cao tự nhiên .................................................................................................57
3.4.2 Ảnh hưởng của P2O5 đến một số tính chất cơ lý của xi măng PC sử dụng
thạch cao phospho .................................................................................................61
3.5 Ảnh hưởng của P2O5 đến quá trình hyđrát hóa của xi măng ..............................64

3.5.1 Ảnh hưởng của P2O5 đến quá trình hyđrát hóa của xi măng PC sử dụng
thạch cao tự nhiên. ................................................................................................65
3.5.2 Ảnh hưởng của P2O5 đến quá trình hyđrát hóa của xi măng PC sử dụng
thạch cao phospho .................................................................................................66
3.6 So sánh liên hệ với một số kết quả nghiên cứu trước .........................................67
3.6.1 So sánh về kết quảmột số tính chất cơ lý .....................................................68
3.6.2 Các so sánh kết quả nghiên cứu về quá trình hydrat hóa.............................69
3.7 Nhận xét chung về ảnh hưởng của P2O5 đến một số tính chất cơ lý và quá trình
hyđrat hóa của xi măng PC: ......................................................................................71
Học viên: Nguyễn Tiến Thuận

3


Luận văn Thạc sĩ

CBHD: PGS.TS Huỳnh Đăng Chính

3.7.1 Nhận xét ảnh hưởng của P2O5 đến một số tính chất cơ lý ...........................71
3.7.2 Nhận xét ảnh hưởng của P2O5 đến quá trình hydrat hóa. ............................73
KỂT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ ................................................................................74
TÀI LIỆU THAM KHẢO ......................................................................................74

Học viên: Nguyễn Tiến Thuận

4


Luận văn Thạc sĩ


CBHD: PGS.TS Huỳnh Đăng Chính
LỜI CẢM ƠN

Tôi xin chân thành cảm ơn PGS.TS Huỳnh Đăng Chính đã tận tình hướng
dẫn, giúp đỡ và hỗ trợ để tôi hoàn thành luận văn này.
Tôi xin bày tỏ lòng cảm ơn đến Tổng Công ty Công nghiệp xi măng Việt
Nam, Viện công nghệ xi măng Vicem và Công ty Cổ phần xi măng Vicem Bút Sơn
đã tạo điều kiện để tôi tham dự khóa đào tạo này.
Tôi cũng xin cảm ơn Bộ môn Công nghệ vật liệu silicat, Viện Kỹ thuật hóa
học, Th.s Vũ Thị Hồng Ân - bộ môn hóa phân tích Trường Đại học Bách Khoa Hà
Nội đã tạo điều kiện để tôi hoàn hiện luận văn thạc sĩ này.
Tôi xin cám ơn Ban lãnh đạo Công ty Cổ phần Xi măng Vicem Bút Sơn, ban
lãnh đạo Phòng Kỹ thuật & Nghiên cứu triển khai, lãnh đạo và anh chị em Phòng
Thí nghiệm đã tạo điều kiện thuận lợi để tôi được học tập và nghiên cứu.
Mặc dù đã nỗ lực hết mình nhưng luận văn của tôi không thể tránh khỏi
những thiếu sót do sự hạn chế về thời gian nghiên cứu và kinh nghiệm. Vì thế tôi
mong được sự đóng góp ý kiến của các Thầy, Cô để luận văn tốt nghiệp của tôi có
thể hoàn thiện hơn.
Hà nội, ngày…tháng…năm 2019
Học viên

Nguyễn Tiến Thuận

Học viên: Nguyễn Tiến Thuận

5


Luận văn Thạc sĩ


CBHD: PGS.TS Huỳnh Đăng Chính

MỘT SỐ KÝ HIỆU VIẾT TẮT SỬ DỤNG TRONG LUẬN VĂN
Hợp chất, thuật ngữ

Viết tắt, ký hiệu

CaO

C

SiO2

S

Al2O3

A

Fe2O3

F

MgO

M

Cặn không tan

CKT


Khoáng 3CaO.SiO2

C3S

Khoáng 2CaO.SiO2

C2S

Khoáng 3CaO.Al2O3

C3A

Khoáng 4CaO.Al2O3.Fe2O3

C4AF

Xi măng poóclăng

XMP

Học viên: Nguyễn Tiến Thuận

6


Luận văn Thạc sĩ

CBHD: PGS.TS Huỳnh Đăng Chính
DANH MỤC BẢNG BIỂU


Bảng 1.1: Các chỉ tiêu chất lượng của xi măng Poóc lăng theo TCVN 2692:2009 .13
Bảng 1.2: Giới hạn hàm lượng thành phần hoá học có trong clanhke .....................14
Bảng 1.3: Các khoáng có trong clanhke xi măng poóc lăng .....................................16
Bảng 1.4: Tính chất cơ lý của các chủng loại Clanhke xi măng Poóc lăng ..............22
Bảng 1.5: Chỉ tiêu chất lượng thạch cao phospho theo TCVN 11833:2017 ............32
Bảng 1.6: Các đặc tính cơ lý của xi măng khi thêm Na3PO4.12H2O ........................45
Bảng 2.1: Thành phần hoá clanhke dùng trong thí nghiệm ......................................48
Bảng 2.2 Chất lượng thạch cao Tự nhiên..................................................................49
Bảng 2.3: Chất lượng thạch cao Phospho .................................................................50
Bảng 3.1 Thành phần hoá thạch cao tự nhiên và thạch cao phospho .......................56
Bảng 3.2: Cấp phối nghiền xi măng PC ....................................................................56
Bảng 3.3: Kết quả Blaine – sót sàng .........................................................................57
Bảng 3.4: Ký hiệu mẫu và tỷ lệ P2O5 bổ sung khi dùng thạch cao tự nhiên .............57
Bảng 3.5: Kết quả thí nghiệm cơ lý-mẫu thạch cao tự nhiên bổ sung P2O5 .............58
Bảng 3.6: Ký hiệu mẫu và tỷ lệ P2O5 bổ sung khi dùng thạch cao phospho ............61
Bảng 3.7: Kết quả thí nghiệm cơ lý-mẫu thạch cao phospho bổ sung P2O5 .............62
Bảng 3.8: Ký hiệu mẫu, tỷ lệ P2O5 bổ sung và mẫu tương đương của 2 đề tài so sánh
...................................................................................................................................67
Bảng 3.9: Các tính chất cơ lý của xi măng khi bổ sung Na3PO4.12H2O ..................68

Học viên: Nguyễn Tiến Thuận

7


Luận văn Thạc sĩ

CBHD: PGS.TS Huỳnh Đăng Chính
DANH MỤC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ


Hình 1.1: Khoáng alite ..............................................................................................17
Hình 1.2: Khoáng belite ............................................................................................18
Hình 1.3: Khoáng C3A và C4AF ...............................................................................19
Hình 1.4: Mỏ khai thách thạch cao ...........................................................................22
Hình 1.5: Quy trình sản xuất axit phosphoric cơ bản ...............................................26
Hình 1.6: Bãi thải thạch cao phospho .......................................................................27
Hình 1.7: Quy trình sản xuất axit phosphoric có xử lý thạch cao phospho ..............28
Hình 1.8: Thạch cao phospho....................................................................................31
Hình 1.9: Mối liên hệ giữa độ thấm hút sunphat trên bề mặt của C-S-H với nồng độ
sunphat ban đầu .........................................................................................................35
Hình 1.10 : Thời gian ninh kết mẫu xi măng dùng thạch cao chưa qua xử lý ..........41
Hình 1.11: Thời gian ninh kết mẫu xi măng dùng thạch cao đã qua xử lý bằng lọc
ướt và sấy ..................................................................................................................41
Hình 1.12: Cường độ nén mẫu xi măng 7 ngày (hình a) và mẫu xi măng 28 ngày
(hình b) ......................................................................................................................41
Hình 1.13: Sự dao động của thời gian đông kết theo % P2O5 . .................................43
Hình 1.14: Sự thay đổi của thời gian ninh kết khi có mặt P2O5 ................................43
Hình 1.15: Các đường cong xác định tuổi đông kết và đóng rắn của vữa nghiên cứu
với sự có mặt của PCE và NP. (A) Kết thúc giai đoạn cảm ứng. (B) Dòng nhiệt tối
đa, (C) giai đoạn kết thúc 72h. ..................................................................................44
Hình 1.16: Đường cong calorimetric của xi măng CEM I 42,5R bổ sung P2O5, tỷ lệ
nước/xi măng=0,5 .....................................................................................................46
Hình 2.1: Sơ đồ thực nghiệm ....................................................................................47
Hình 2.2: Clanhke đã qua kẹp hàm ...........................................................................48
Hình 2.3: Clanhke sử dụng thí nghiệm .....................................................................48
Hình 2.4: Clanhke đã nghiền .....................................................................................48
Học viên: Nguyễn Tiến Thuận

8



Luận văn Thạc sĩ

CBHD: PGS.TS Huỳnh Đăng Chính

Hình 2.5: Thạch cao tự nhiên lấy tại kho Nhà máy xi măng Bút Sơn ......................49
Hình 2.6: Thạch cao tự nhiên sau khi sấy sử dụng thí nghiệm .................................49
Hình 2.7 Thạch cao tự nhiên (Thái lan) sau khi nghiền ............................................49
Hình 2.8: Thạch cao phospho dùng trong thí nghiệm ...............................................50
Hình 2.9: Máy trộn vữa .............................................................................................51
Hình 2.10: Bàn dằn mẫu............................................................................................51
Hình 2.11: Bể dưỡng mẫu .........................................................................................51
Hình 2.12: Máy nén mẫu ...........................................................................................51
Hình 2.13: Dụng cụ Vicat với kim dùng để đo lượng nước tiêu chuẩn ....................52
Hình 2.14: Dụng cụ Vicat với kim dùng để xác định thời gian đông kết .................53
Hình 2.15: Thiết bị xác định lượng sót sàng .............................................................54
Hình 2.16: Dụng cụ xác định Blaine .........................................................................54
Hình 2.17: Thiết bị đo nhiệt độ thủy hóa RH/Temperature SD Card .......................55
Datalogger–800021. ..................................................................................................55
Hình 3.1: Đồ thị biểu diễn sự thay đổi lượng nước tiêu chuẩn và thời gian ninh kết
khi bổ sung P2O5 vào thạch cao tự nhiên trong mẫu xi măng PC .............................59
Hình 3.2: Đồ thị biểu diễn sự thay đổi cường độ nén khi bổ sung P2O5 vào thạch cao
tự nhiên trong mẫu xi măng PC ................................................................................59
Hình 3.3: Đồ thị biểu diễn sự thay đổi lượng nước tiêu chuẩn và thời gian ninh kết
khi bổ sung P2O5 vào thạch cao phospho trong mẫu xi măng PC ............................62
Hình 3.4: Đồ thị biểu diễn sự thay đổi cường độ nén khi bổ sung P2O5 vào thạch cao
phospho trong mẫu xi măng PC ................................................................................63
Hình 3.5 Đồ thị biểu diễn sự thay đổi nhiệt độ quá trình hyđrat khi thay đổi P2O5
trong mẫu vữa xi măng sử dụng thạch cao tự nhiên .................................................65

Hình 3.6 Đồ thị biểu diễn sự thay đổi nhiệt độ quá trình hyđrat khi thay đổi P2O5
trong mẫu vữa xi măng sử dụng thạch cao Phospho .................................................66
Hình 3.7: Đường cong nhiệt lượng của xi măng với P2O5 bổ sung ..........................69
Học viên: Nguyễn Tiến Thuận

9


Luận văn Thạc sĩ

CBHD: PGS.TS Huỳnh Đăng Chính
PHẦN MỞ ĐẦU

1. Lý do chọn đề tài:
Thạch cao là thành phần không thể thiếu trong xi măng poóc lăng, sự có mặt
của thạch cao có tác dụng điều chỉnh thời gian đông kết và cải thiện một số tính chất
cơ lý của xi măng. Thạch cao giúp giữ cho xi măng trong trạng thái dẻo để duy trì
tính thi công của vữa xi măng.
Theo các tài liệu nghiên cứu thì ở nước ta không có mỏ thạch cao tự nhiên
nào, nguồn thạch cao tự nhiên để sản xuất xi măng đều phải nhập khẩu từ nước
ngoài (Trung Quốc, Thái Lan, Lào…). Nguồn thạch cao tự nhiên trên thế giới ngày
càng cạn kiệt và giá thành không ngừng tăng lên.
Nhiều nguồn thạch cao khác đã được tìm kiếm để thay thế thạch cao tự
nhiên. Với mục đích vừa giải quyết vấn đề môi trường vừa để thay thế một phần
thạch cao trong cấp phối xi măng. Thạch cao phospho - một phế phẩm của quá trình
sản xuất axit phosphoric, phụ gia thức ăn chăn nuôi… dùng trong nông nghiệp đã
được lựa chọn.
Vì thế đề tài “Nghiên cứu ảnh hưởng của P2O5 trong thạch cao Phospho đến
một số tính chất cơ lý và quá trình hydrat hóa của xi măng PC” là cần thiết để khảo
sát ảnh hưởng của P2O5 đến một số tính chất cơ lý của xi măng như cường độ cơ

học, lượng nước tiêu chuẩn, thời gian đông kết và quá trình hydrat hóa của xi măng
PC
2. Mục đích nghiên cứu
Nghiên cứu ảnh hưởng của P2O5 trong thạch cao Phospho đến một số tính
chất cơ lý và quá trình hydrat hóa của xi măng PC, qua đó đánh giá được các ảnh
hưởng của P2O5 để có biện pháp sử dụng hiệu quả trong thực tiễn sản xuất.

Học viên: Nguyễn Tiến Thuận

10


Luận văn Thạc sĩ

CBHD: PGS.TS Huỳnh Đăng Chính

3. Ý nghĩa thực tế của đề tài
Kết quả đề tài sẽ có ý nghĩa lớn đối với Công ty Cổ phần xi măng Bút Sơn
trong việc lựa chọn nguồn thạch cao mới có chất lượng tương đương nhưng lợi về
kinh tế hơn và giải quyết được vấn đề môi trường.
4. Đối tượng nghiên cứu
Ảnh hưởng của P2O5 trong thạch cao Phospho đến một số tính chất cơ lý và
hydrat hóa của xi măng.
5. Phạm vi nghiên cứu
Để đạt được mục tiêu mà đề tài đã đặt ra, nội dung nghiên cứu cần triển khai
theo những bước sau:
+ Tập hợp các tài liệu có liên quan đến đề tài, nghiên cứu tài liệu để định
hướng thực nghiệm và vận dụng vào giải thích các kết quả đạt được.
+ Lựa chọn nguyên liệu và thiết lập bài phối liệu nghiền xi măng PC.
+ Tìm hiểu thành phần, đặc điểm, tính chất của thạch cao phospho.

+ Nghiền mẫu thí nghiệm và bổ sung P2O5 với các tỷ lệ đã chọn
+ Phân tích tác động của P2O5 trong thạch cao phospho đến một số tính chất
cơ lý và quá trình hydrat hóa của xi măng PC
6. Phương pháp nghiên cứu
Các nguyên liệu nghiên cứu, quy trình và thiết bị thử nghiệm là ổn định và
thống nhất trong suốt quá trình thực hiện nhằm hạn chế tối đa các sai số.
Chỉ tiêu cơ lý của mẫu được xác định theo các bộ tiêu chuẩn hiện hành, cụ
thể như sau:
+ Xác định cường độ theo TCVN 6016:2011
+ Xác định lượng nước tiêu chuẩn theo TCVN 6017:2015.
+ Xác định thời gian bắt đầu ninh kết, kết thúc ninh kết theo TCVN
6017:2015.
+ Xác định độ mịn (tỷ diện Blaine, sót sàng 0.09mm) theo TCVN 4030:2003
+ Xác định thành phần hóa theo TCVN 141:2008.
Học viên: Nguyễn Tiến Thuận

11


Luận văn Thạc sĩ

CBHD: PGS.TS Huỳnh Đăng Chính

+ Xác định hàm lượng thạch cao và SO3 theo TCVN 8654:2011, TCVN
11833:2017.
+ Xác định nhiệt độ thủy hóa bằng thiết bị RH/Temperature SD Card Datalogger – 800021.
Bằng phương pháp so sánh các giá trị đạt được giữa các mẫu nghiên cứu, từ
đó đánh giá ảnh hưởng của P2O5 trong thạch cao phospho đến một số tính chất cơ lý
và quá trình hyđrát hóa của xi măng PC.


Học viên: Nguyễn Tiến Thuận

12


Luận văn Thạc sĩ

CBHD: PGS.TS Huỳnh Đăng Chính
CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN

1.1 Tổng quan về xi măng Poóc lăng
Xi măng Poóc lăng, còn gọi là Xi măng poóc lăng thường (OPC), là chất kết
dính thủy lực, được chế tạo bằng cách nghiền mịn clanhke xi măng poóc lăng với
một lượng thạch cao cần thiết là loại vật liệu được sử dụng phổ biến nhất trên toàn
thế giới, nó là thành phần cơ bản của bê tông, vữa, hồ. Thành phần chủ yếu là
clanhke poóc lăng chiếm tỉ lệ 95 - 96% và thạch cao chiếm tỉ lệ 4-5%.
Xi măng poóc lăng gồm các mác PC30, PC40, PC50, trong đó các trị số 30,
40, 50 là cường độ nén tối thiểu của mẫu vữa chuẩn sau 28 ngày đóng rắn, tính bằng
MPa.
Bảng 1.1: Các chỉ tiêu chất lượng của xi măng Poóc lăng theo TCVN 2692:2009

1.2 Tổng quan về clanhke
1.2.1 Thành phần hoá của clanhke xi măng poóc lăng [2, 4, 5]
Gồm 4 oxit chính:CaO, SiO2, Al2O3, Fe2O3 chiếm khoảng 95 – 97%, ngoài ra
còn các oxit khác: R2O, MgO, SO3, TiO2, MnO2, Cr2O3,… chiếm khoảng 3 – 5%.
(trong đó R2O, MgO, SO3 có thể ảnh hưởng rất lớn tới quá trình công nghệ).

Học viên: Nguyễn Tiến Thuận

13



Luận văn Thạc sĩ

CBHD: PGS.TS Huỳnh Đăng Chính

Thành phần hóa học clanhke xi măng poóc lăng thông thường nằm trong giới
hạn.
Bảng 1.2: Giới hạn hàm lượng thành phần hoá học có trong clanhke [4]
CaO

SiO2

62÷69% 17÷26%

Al2O3

Fe2O3

MgO

R2O

SO3

P2O5

4÷10%

0.1÷5%


≤5%

0.1÷2%

0÷1%

≤ 1,5%

*Oxit canxi (CaO)
Nhiệm vụ: tham gia tạo các khoáng chính của xi măng poóc lăng.
Ảnh hưởng: Nếu tăng hàm lượng CaO thì:
+ Lượng khoáng C3S tăng
+ Có khả năng tạo ra nhiều CaO tự do (CaO không tạo khoáng)
Vì để tạo được nhiều C3S thì nhiệt dộ nung tăng lên, nếu không tăng niệt độ
nung thì lượng CaO tự do tăng.
*Oxit Silic (SiO2)
Nhiệm vụ: tham gia tạo khoáng C2S và C3S.
Ảnh hưởng: SiO2 có khả năng tạo khoáng phức lớn  chảy lỏng khó, η lớn.
C2S, C3S là các khoảng khó nóng chảy  nếu thêm SiO2 vào thì tổng khoáng
silicat tăng lên  to nung tăng.
Tổng khoáng tăng, thực chất là tăng C2S là chủ yếu.
Nếu quá nhiều SiO2 thì khoáng C2S sẽ tăng lên, xi măng đóng rắn chậm
nhưng đồng thời phát triển cường độ muộn, đảm bảo mác xi măng. Đặc biệt nhiều
SiO2 xi măng có độ bền vĩnh cửu cao trong môi trường xâm thực.

Học viên: Nguyễn Tiến Thuận

14



Luận văn Thạc sĩ

CBHD: PGS.TS Huỳnh Đăng Chính

*Oxit nhôm (Al2O3)
Nhiệm vụ: tham gia tạo khoáng C3A và C4AF là các khoáng nóng chảy, đóng
vai trò pha lỏng trong quá trình kết khối.
Xi măng chứa nhiều Al2O3, đóng rắn nhanh, tỏa nhiệt lớn và kém bền trong
môi trường sunphat và nước biển, ít dùng trong thi công khối bê tông khối lớn, xây
các công trình thủy điện, thủy lợi, cầu cống….
*Oxit sắt (Fe2O3)
Fe2O3 là yếu tố gây màu, do đó xi măng trắng là xi măng (coi như) không có
Fe2O3
Nhiệm vụ: tham gia tạo khoáng C4AF làm cho xi măng bền trong môi trường
xâm thực nước biển và sunphat.
*Oxit kiềm (Na2O, K2O ≡ R2O)
Kiềm do đất sét đưa vào ở nhiệt độ cao một phần chúng thăng hoa bay theo
bụi, một phần chúng tan trong pha lỏng tạo thành thủy tinh hay tham gia vào phản
ứng tạo khoáng chứa kiềm của C2S và C3S. Nếu clanhke nhiều kiềm sẽ làm cho xi
măng giảm cường độ, không ổn định thể tích gây nên nở mặt khi sản xuất vật liệu
trang trí mẫu.
* Oxit manhê (MgO)
Hầu như đá vôi bao giờ cũng chứa MgO không khống chế giới hạn dưới.
Ảnh hưởng: MgO rất khó khăn phản ứng với nước tạo ra Mg(OH)2
MgO + H2O  Mg(OH)2 + ΔV
Trong một thời gian dài nếu nó phản ứng  tăng thể tích  gây ra ứng suất
 rất nguy hiểm và khó xử lý.
Mặc dù CaO tự do cũng phản ứng với nước  gây tăng thể tích  tạo ứng
suất nhưng dễ xử lý và nó có khả năng xử lý sớm.

Học viên: Nguyễn Tiến Thuận

15


Luận văn Thạc sĩ

CBHD: PGS.TS Huỳnh Đăng Chính

CaO có trong clanhke  hút ẩm tạo ra Ca(OH)2 trước khi tiến hành xây
dựng  không có ảnh hưởng lớn.
MgO nguy hiểm hơn do MgO phản ứng sau thời gian dài.
1.2.2 Thành phần khoáng của clanhke xi măng poóc lăng [2,4,9]
Clanhke xi măng poóc lăng không phải là sản phẩm đồng nhất, mà là tập hợp
của nhiều khoáng khác nhau, bao gồm các khoáng chính sau: Alite, Belite, Celite,
Aluminat, hợp chất trung gian, ngoài ra còn một hàm lượng nhỏ các khoáng khác.
Bảng 1.3: Các khoáng có trong clanhke xi măng poóc lăng
Tên

khoáng

tinh Công thức phân tử

Viết tắt

khiết

Tên khoáng trong
clanhke


Tricalcium silicat

3CaO.SiO2

C3S

Alite

Dicalcium silicat

2CaO.SiO2

C2S

Belite

Tricalcium aluminat

3CaO.Al2O3

C3A

Aluminat

Alumoferitcalci

3CaO.pAl2O3(1-p)Fe2O3

C4AF


Alumoferit

* Alite 3CaO.SiO2 (C3S):
Alite là hỗn hợp nhiều khoáng, mà khoáng chủ yếu là 3CaO.SiO2 (C3S),
ngoài ra trong alite còn chứa khoảng 4% 3CaO. Al2O3 (C3A) và một lượng nhỏ
MgO, trong công nghiệp C3S tồn tại trong dung dịch rắn ở dạng
54CaO.16SiO2.MgO.Al2O3; chúng tạo thành dung dịch rắn. Cấu trúc mạng lưới tinh
thể của alite có thể thay đổi khi Al2O3 được thay thế bằng Fe2O3 và MgO bằng FeO.
Alite là khoáng quan trọng nhất trong clanhke xi măng poóc lăng, thường
chiếm từ 40 ÷ 60. Alite là khoáng đóng rắn nhanh và cho cường độ cao, đồng thời
khi đóng rắn tỏa nhiệt lớn và ít co thể tích, tuy nhiên lại không bền trong môi trường
xâm thực.

Học viên: Nguyễn Tiến Thuận

16


Luận văn Thạc sĩ

CBHD: PGS.TS Huỳnh Đăng Chính

Dưới kính hiển vi C3S tinh khiết có dạng tinh thể hình lục giác đều (hình 1.1
A) và cấu trúc dung dịch rắn của alite được thể hiện ở (hình 1.1 B).

Hình 1.1: Khoáng alite
* Belite 2CaO.SiO2 (C2S):
Thành phần khoáng chủ yếu là silicat dicanxit: 2CaO.SiO2 (C2S). Hàm lượng
belite trong clanhke xi măng poóc lăng chiềm từ 15÷35%. Belite tồn tại dưới 5 dạng
thù hình: α – C2S, α’L – C2S, α ‘H – C2S, β – C2S, γ – C2S. Các dạng thù hình khác

nhau ở cấu trúc mạng tinh thể do đó khác nhau về tính chất. Trong đó β – C2S là
dạng giả ổn định trong clanhke xi măng poóc lăng là dạng khoáng quan trọng của
belite.
Chúng ta mong muốn có được dạng β - C2S vì:
+ α – C2S, α’- C2S có tính kết dính nhưng không giữ được tính chất đó ở
nhiệt độ thường
+ γ - C2S không có cường độ, không có tính kết dính ở nhiệt độ thường
Chỉ có β - C2S nếu đưa được về nhiệt độ thường thì khả năng kết dính rất tốt.
Trong quá trình làm lạnh clanhke khi hạ nhiệt độ đến 830oC, nếu làm lạnh
nhanh  tạo ra β - C2S; nếu làm lạnh chậm  chỉ tồn tại γ - C2S. Đến 675oC, nếu
làm lạnh nhanh  vẫn còn nguyên β - C2S; nếu làm lạnh chậm  chỉ còn γ - C2S

Học viên: Nguyễn Tiến Thuận

17


Luận văn Thạc sĩ

CBHD: PGS.TS Huỳnh Đăng Chính

Trong điều kiện công nghiệp, C2S tồn tại ở dạng dung dịch rắn và có tên là
belite
Khoáng C2S đóng rắn rất chậm, bền trong môi trường xâm thực, cho cường
độ muộn cao.
Khoáng belite có hình dạng tròn và cấu trúc dung dịch rắn của belite được
thể hiện ở hình 1.2.

Hình 1.2: Khoáng belite
* Celite: 2CaO.pAl2O3.(1-p)Fe2O3 (alumoferitcalci):

Celite là khoáng nặng nhất γ → 3,77 g/cm3
Celite có màu đen, nằm xen giữa các hạt alite và belite cùng với khoáng C3A,
celite có thành phần gần giống C4AF (4CaO.Al2O3.Fe2O3). Thực tế nó là dung dịch
rắn của hỗn hơp tinh thể của các khoáng alumoferitcalci C6A2F–C4AF–C6AF2, một
phần C2F và có dạng công thức chung C2AxF1-x (trong đó x < 0,7).
Trong clanhke xi măng poóc lăng ta xem celite tồn tại dưới dạng C4AF và
chiếm từ 10 ÷ 18%. Celite là khoáng cho cường độ tương đối thấp, đóng rắn chậm,
toả nhiệt ít nhưng sản phẩm đóng rắn được trong môi trường nước và môi trường ăn
mòn sunphat..
* Khoáng aluminat - tricalci 3CaO.Al2O3 (C3A):

Học viên: Nguyễn Tiến Thuận

18


Luận văn Thạc sĩ

CBHD: PGS.TS Huỳnh Đăng Chính

Trong clanhke xi măng poóc lăng aluminat - tricalci tồn tại chủ yếu dưới
dạng C3A (3CaO. Al2O3), ngoài ra dưới những điều kiện nhất định (nghèo CaO) nó
cũng có thể dưới dạng C12A7 (12CaO.7Al2O3).
Aluminat - tricalci chiếm 5 – 15% trong clanhke xi măng poóc lăng, là
khoáng có tính chất kết dính, dạng tinh thể lập phương, đóng rắn nhanh, tỏa nhiều
nhiệt và là khoáng không bền trong môi trường nước biển.

Hình 1.3: Khoáng C3A và C4AF
Hình 1.3 mô tả mẫu clanhke được mài nhẵn và chụp bằng kính hiển vi quan
sát thấy được các pha xen kẽ, tỷ lệ cao nhôm sẽ sản xuất ra khoáng C3A (được đánh

bóng sang màu xám) nhiều hơn C4AF, khoáng C4AF phản quang tốt hơn nên nhìn
thấy màu trắng.
* Chất trung gian (pha đệm): [5]
Chất trung gian nằm xen kẽ giữa các tinh thể alite và belite, thành phần chủ
yếu là các khoáng aluminatcalci, alumoferitcalci và pha thủy tinh. Các khoáng này
khi nung ở nhiệt độ cao (1450oC) tạo thành pha lỏng của clanhke. Pha lỏng chiếm 5
÷ 10%, thành phần pha lỏng phụ thuộc tốc độ làm lạnh, bản chất pha lỏng nóng
chảy hay thành phần hoá của pha lỏng nóng chảy. Trong pha lỏng có sự hòa tan
kiềm, Al2O3, Fe2O3 và MgO.

Học viên: Nguyễn Tiến Thuận

19


Luận văn Thạc sĩ

CBHD: PGS.TS Huỳnh Đăng Chính

* Các khoáng chứa kiềm: [5]
Trong clanhke xi măng poóc lăng các khoáng chứa kiềm tồn tại dưới dạng
KC23S12 (K2O.23CaO.12SiO2) và NaC8A3 (Na2O.8CaO.3Al2O3). Khoáng KC23S12
chính là sản phẩm thay thế của C2S; trong đó cứ 12 phân tử C2S thì 1 phân tử CaO
thay thế bằng 1 phân tử K2O. Còn khoáng NaC8A3, trong đó cứ 3 phân tử C3A, thì 1
phân tử CaO thay thế bằng 1 phân tử Na2O.
Trong clanhke xi măng poóc lăng các khoáng chứa kiềm chứa một hàm
lượng rất nhỏ, tuy nhiên là những khoáng không có lợi vì làm cho quá trình đóng
rắn cùa xi măng poóc lăng không ổn định, có thể gây nên trương nở thể tích của sản
phẩm.
* Các oxit tự do (CaOtự do, MgOtự do):[5]

CaOtự do trong clanhke xi măng poóc lăng thường tồn tại một lượng nhỏ hơn
1%. CaOtự do được tạo thành hoặc là do trong quá trình nung nó không liên kết hoàn
toàn với các oxit khác hoặc là do trong quá trình làm lạnh có sự phân hủy một phần
của khoáng alite hoặc khoáng C3A (kích thước tinh thể là 1÷5 µm). Nếu hàm lượng
CaOtự do cao, trong quá trình đóng rắn do khả năng hydrat hóa chậm (khi hydrat hóa
tạo thành Ca(OH)2 – tăng thể tích lớn) không đồng thời với các khoáng khác, gây
giản nở thể tích, dẫn đến phá hủy cấu trúc đá xi măng poóc lăng 8].
MgOtự do luôn tồn tại dạng periklaz, ngoài ra MgOtự do còn nằm trong dung
dịch rắn với các khoáng clanhke hoặc tồn tại trong pha thủy tinh. MgO ở dạng periklaz tồn tại trong clanhke xi măng poóc lăng với hàm lượng lớn (>3%) hydrat hóa
rất chậm (chậm hơn cả CaOtự do); trong quá trình đóng rắn của xi măng poóc lăng sẽ
gây giãn nở thể tích lớn dẫn đến phá hủy cấu trúc đá xi măng poóc lăng. Tuy nhiên,
nếu ổn định được MgO trong clanhke xi măng poóc lăng có thể nâng hàm lượng
MgO > 20%. Loại xi măng này gọi là xi măng giàu MgO. Trong clanhke xi măng
poóc lăng giàu MgO có thể tạo thành periklaz ở dạng tinh thể. Tốc độ làm lạnh của
clanhke có ảnh hưởng rất lớn đến sự tạo thành vào kích thước của tinh thể periklaz.
* Các pha khác:
Học viên: Nguyễn Tiến Thuận

20


Luận văn Thạc sĩ

CBHD: PGS.TS Huỳnh Đăng Chính

Nếu như trong hỗn hợp phối liệu đất sét có chứa các muối sunphat hay sunfit, hoặc trong nhiên liệu có các hợp chất chứa lưu huỳnh S, trong quá trình nung
luyện clanhke sẽ có sự tạo thành SO2. SO2 sẽ phản ứng với kiềm alkali và O2 của
khí lò tạo thành K2SO4 trong clanhke xi măng poóc lăng.
Các chỉ tiêu của Clanhke xi măng Poóc lăng theo TCVN 7024:2013-Clanhke xi
măng Poóc lăng


Học viên: Nguyễn Tiến Thuận

21


Luận văn Thạc sĩ

CBHD: PGS.TS Huỳnh Đăng Chính

Bảng 1.4: Tính chất cơ lý của các chủng loại Clanhke xi măng Poóc lăng

1.3 Tổng quan về thạch cao
1.3.1 Tổng quan về thạch cao tự nhiên
Thạch cao (tiếng Anh: gypsum), công thức hóa học CaSO4.2H2O, tên hóa
học là calcium sulphate dihydrate (sun-phát can-xi ngậm 2 phân tử nước). Trong
thiên nhiên, thạch cao tồn tại dưới dạng vỉa đá trầm tích (đá thạch cao, gypsum
rock), chủ yếu nằm sâu dưới mặt đất, đôi khi lộ thiên. Đá thạch cao được hình thành
cách đây khoảng 160 đến 200 triệu năm, do sự kết hợp giữa các ion Ca2+, ion SO42và phân tử nước (H2O) luôn có sẵn trong biển và đại dương dưới tác động của nhiệt
độ và áp suất cao.

Hình 1.4: Mỏ khai thách thạch cao
Học viên: Nguyễn Tiến Thuận

22


Luận văn Thạc sĩ

CBHD: PGS.TS Huỳnh Đăng Chính


Trong tự nhiên CaSO4 tồn tại ở 3 dạng cơ bản: canxi sunphat khan CaSO4,
canxi sunphat hemihydrat CaSO4.0,5 H2O và canxi sunphat dihydrat CaSO4.2H2O
(thạch cao). Riêng canxi sunphat hemihydrat có 2 pha là α -hemihydrat (αCaSO4.0,5H2O) và β -hemihydrat (β -CaSO4.0.5H2O)
Thạch cao thiên nhiên có độ cứng thấp, chỉ nằm khoảng 1,5 ÷ 2,0 theo thang
Mohr, nếu tinh khiết, đá thạch cao có màu trắng, còn tùy theo mức độ lẫn tạp chất,
nó có các màu như hồng, nâu, vàng, xám, v.v…
Thạch cao thiên nhiên được sử dụng làm nguyên liệu trong nhiều lĩnh vực:
hóa học, thực phẩm, xây dựng, y tế, nông nghiệp… Hiện nay, thạch cao thiên nhiên
thường được sử dụng để sản xuất chất kết dính trong xây dựng và pha vào khi
nghiền xi măng poóc lăng để cải thiện một số tính chất của xi măng.
CaSO4.2H2O khi nung tới 65oC bắt đầu mất nước chậm. Việc mất nước này
phụ thuộc vào áp suất riêng phần của hơi nước trong môi trường. Nói chung,
CaSO4.2H2O sẽ dehydrat hóa ở nhiệt độ mà áp suất phân ly của hơi nước lớn hơn áp
suất riêng phần của hơi nước trong môi trường xung quanh, CaSO4.2H2O phân hủy
tạo thành CaSO4.0,5H2O.
Ở nhiệt độ 100oC ÷ 140oC, CaSO4.2H2O nhanh chóng phân hủy ra thành
CaSO4.0,5H2O (hemihydrat). Hơi nước thoát ra sủi bọt mãnh liệt như nước sôi. Bột
thạch cao có tính linh động như chất lỏng. Thành phần CaSO4.0,5H2O theo lí thuyết
như sau: 38,63% CaO; 55,16% SO3; 6,21% H2O. Khi còn nửa nước, đá thạch cao
trở nên mềm, xốp, dễ dàng nghiền mịn thành bột. CaSO4.0,5H2O là sản phẩm không
bền vững, luôn có khuynh hướng hấp thụ và tương tác hóa học với nước để trở về
trạng thái bền vững ban đầu là CaSO4.2H2O. CaSO4.0,5H2O tồn tại ở 2 dạng α và β.
Ban đầu con người biết đến và sử dụng thạch cao bằng cách khai thác từ các mỏ
thạch cao sau đó đưa về nung trong lò đứng hoặc lò quay ở 2000C để thạch cao
chuyển thành dạng ngậm 0,5H2O rồi nghiền mịn để sử dụng. Tuy nhiên sản phẩm
thu được thường là hemihydrat dạng β. β -hemihydrat được sử dụng rất rộng rãi, tuy
nhiên ứng dụng được các nhà khoa học quan tâm hơn cả là α -hemihydrat do tính
chất tốt hơn và tạo ra sản phẩm chịu nhiệt tốt hơn (lên tới 10500C). [6]


Học viên: Nguyễn Tiến Thuận

23