Nghiên Cứu Sử Dụng Phụ Gia đá Vôi Trong Xi Măng Và Bê Tông

Từ kết quả trên, áp dụng xác định 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 Việt Nam và đánh giá hiệu quả kinh tế của việc áp dụng công nghệ mới ở quy mô bán công nghiệp.

1. 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 portland (Ordynary Portland Cement – OPC). Việc sản xuất clinker xi măng portland 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 clinker.

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 puzolan, 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 thủy hóa của xi măng do sự tương tác C3S và CaCO3, 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 clinker và tăng khả năng thủy hóa, nâng cao khả năng chống ăn mòn…

Hầu hết tiêu chuẩn xi măng portland 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 2 loại xi măng là CEM II/(A-B)-L chứa từ 84-90% clinker và 6-20% vôi và loại CEM II/(A-B)-LL chứa từ 65-79% clinker 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 portland Type 10 và Type 30. Đây cũng là khuynh hướng chung của các nước Mỹ La tinh như Argentina, Brazil, Mexico. Viện tiêu chuẩn hóa và Nghiên cứu Công nghệ Iran (2005) đã cho phép đưa từ 6-20% 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 CaCO3 được tính theo hàm lượng CaO tối thiểu phải chiếm 70% khối lượng. (Bảng 1)

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

Xi măng portland – vôi được sản xuất bằng cách nghiền chung clinker, đá vôi và thạch cao đến cỡ hạt 320–350 m2/kg. Một vấn về được quan tâm liên quan tới 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 portland – vôi rất được khuyến khích. Xi măng portland – vôi chứa từ 5-35% phụ gia đá vôi đang được sản xuất và sử dụng rộng rãi ở nhiều nước trên Thế giới.

Ở Algeri, phần lớn xi măng đều được phối trộn với các phụ gia khoáng như đá vôi và puzolan. Puzolan 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 puzolan. Các nhà máy này thường bổ sung khoảng 15% puzolan 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 2 hoặc 3 thành phần có tác dụng tổng hợp, cho phép các hợp phần bổ trợ lẫn nhau, sử dụng những đặc tính đáng quý của 1 phụ gia để bù trừ cho những đặc tính không được ưng ý của 1 phụ gia khác. Ví dụ phụ gia đá vôi góp phần tăng cường độ ở thời kỳ đầu, thì puzolan lại góp phần tăng cường độ trong thời gian dài. Sự kết hợp tốt các phụ gia dẫn đến nang cao cường độ của bê tông.

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

- Hàm lượng CaCO3 > 75%;

- Hàm lượng sét được xác định theo thí nghiệm xanh Methylen < 1,20g/100g;

- Tổng hàm lượng carbon hữu cơ (TOC) phải đáp ứng các 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 CEM II/(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 19mm và hạt mịn là cát sông thông thường. Cấp hạt thô có tỷ trọng và độ hấp phụ nước theo thứ tự là 2510kg/m3 và 0,90% và cấp hạt mịn có tỷ trọng là 2750kg/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 1200kg/m3 được sử dụng để đạt được độ lún cần thiết trong mẫu có tỷ lệ w/b = 0,37.

2. 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 portland cũng như xi măng đầm lăn (RCC). Kết quả nghiên cứu có ý nghĩa rất lớn của các nhà khoa học Iran (Ali A. Ramezanianpouret al., 2009) được trình bày tại 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…

Tỷ lệ đá vôi thay thế cho xi măng portland 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 350kg/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 mm được tiến hành 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 clinker. 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 portland – vôi chứa 10% vôi có độ thấm nước thấp hơn bê tông xi măng portland 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 50oC trong 14 ngày. Sau khi bê tông đã ổn định, các mẫu được phủ bằng 1 lớp nhựa epoxy chỉ ở 4 mặt xung quanh để đảm bảo sự hấp phụ nước theo trục thẳng đứng. Khối lượng của cá 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 chưa 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 chứa phụ gia.

- Xác định tính thấm nhanh của ion clorit: thí nghiệm tính thấm nhanh của ion clorit được tiến hành theo Tiêu chuẩn Quốc tế 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 đinh theo tiêu chuẩn được tích điện 60V trong 6 giờ. Tổng điện tích được 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; mẫu bê tông 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% - 114% đối với bê tông chứa 10% và 20% phụ gia. Ngoài sử dụng trong xi măng portland, 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 1m3 bê tông đã pha thêm 50kg 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…

Nhìn chung kết quả nghiên cứu cho thấy bê tông xi măng portland – đá vôi (PLC) với tỷ lệ đến 10% đá vôi có các đặc tính tương tự như bê tông xi măng portland.

3. Dùng vôi trong sản xuất bê tông ở Việt Nam

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… 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 sử dụng 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, puzolan Sơn Tây được nghiền nhỏ trộn với vôi bột sống theo tỷ lệ 1 vôi + 3 puzolan để được chất kết dính cấp thấp, gọi là vôi – puzolan, được đóng thành bao đóng 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. Công ty Công nghiệp Sơn Tây (trước đây) đã pha thêm 20% xi măng và thu được hỗn hợp vôi – puzolan – xi măng, ký hiệu là V.P.X, đạt mác 100.

Dùng vôi để chế tạo hỡn 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 ½ - 4 (khối lượng); hỗn hợp 3 phần có thể dùng vôi – đất sét – cát theo tỷ lệ 1 : 2 : 3. Khi dùng hỗn hợp 4 thành phần thì lượng cát có thể giảm đi nhưng cần cho thêm 1 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 và làm mặt đường nhỏ ở nông thôn, cũng như các đường lớn, còn gọi là “đất gia cố vôi”.

Ở Hải Phòng đã sản xuất một số vật liệu đất – vôi với tỷ lệ khác nhau để xây dựng hàng ngàn 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 hỗn 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 Khoa học Kỹ thuật 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 đất nền yếu, có mực nước ngầm cao”.

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, 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 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 định 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.

Theo Tạp chí vật liệu xây dựng