Bài viết này đề cập đến những đặc điểm đặc trưng của xi măng Portland - đá vôi trong sản xuất và sử dụng nó để các hộ sản xuất và tiêu thụ nó có những quan tâm và dự liệu thích đáng trong công việc của mình.

Khi người thợ nề Joseph Aspdin nung bột đá vôi và đất sét trong bếp lò ở ngôi nhà của ông ở Leeds, nước Anh, hồi thập niên 1820, ông không hề biết thực nghiệm của mình có tác động mạnh mẽ đến mức nào ra toàn thế giới. Ông ta cũng không hề biết rằng mình đang xây dựng nền móng cho một nền công nghiệp khổng lồ mà ngày nay, thế giới đang sản xuất hàng tỷ tấn xi măng mỗi năm.

Xi măng Portland đã cấu thành từ nhiều khoáng và hóa chất khác nhau để tăng cường tính năng và hiệu suất chế tạo của nó. Dù vậy nó không thể tách rời việc sử dụng hai thành phần cơ bản ban đầu của Aspdin: đá vôi và đất sét. 

 

1. Góc nhìn khác về đá vôi

Là loại đá trầm tích, đá vôi bao gồm chủ yếu là các khoáng calcite và aragonite, ở dạng tinh thể của calcium carbonate (CaCO₃). Nó có thể được thấy trong nhiều thứ từ các kim tự tháp Ai Cập vĩ đại đến ống kem đánh răng nhỏ bé của bạn.

Đá vôi nghiền thường là thành phần chính của nguyên liệu sống trong chế tạo clinker xi măng Portland mà thứ này cuối cùng cũng trở thành xi măng. Các nguồn nguyên liệu sống khác của carbonate calcium bao gồm các loại vỏ (sò, điệp), phấn hay mac nơ mà chúng là sự kết hợp của đá sét, sét, đá phiến, xỉ lò cao, cát silica hay quặng sắt. Những nguyên liệu sống này được nghiền mịn, trộn theo tỷ lệ được khống chế sau đó được đốt nóng trong lò đến nhiệt độ 1.450^oC để tạo thành clinker xi măng Portland. Clinker này nghiền mịn được gọi là xi măng Portland.

Trong bước nghiền cuối cùng, có thể bao gồm những thành phần khác mà điển hình là calcium sulfate (thạch cao) và đá vôi không nung. Các bộ tiêu chuẩn ASTM C150 và AASHTO M85 hạn chế hàm lượng đá vôi cực đại 5 % khối lượng. ASTM C595 và AASHTO M240 đã sửa đổi vào năm 2012 đã xác định các thứ xi măng Portland-đá vôi chứa giữa 5 % và 15 % khối lượng đá vôi.

Xi măng Portland - đá vôi (XPV) có các tính năng có thể sử dụng được với xi măng Portland thường (OPC) nhưng có thể cải thiện tính năng môi trường của bê tông.

XPV đã được sử dụng ở Mỹ với quy mô hạn chế theo tiêu chuẩn ASTM C1157 trong vài năm, nhưng nó vẫn còn được coi là công nghệ tương đối mới. Một số dạng XPV đã được sử dụng ở châu Âu trong hơn 40 năm nay. 

Tuy nhiên, tiêu chuẩn châu Âu EN 197-1 bao gồm các quy định đối với xi măng chứa đá vôi với hàm lượng lên tới 35%. Tiêu chuẩn quốc gia Mexico NMX C-414 cũng cho phép đá vôi lên tới 35%. Ở New Zealand, XPV được sản xuất với tối đa 15% đá vôi và ở Brazil, tối đa 10% đá vôi được cho phép.

XPV đã được sử dụng ngày càng nhiều ở Canada kể từ khi áp dụng thông số kỹ thuật CSA A3000 vào năm 2008. Thông số kỹ thuật đó cho phép số lượng lên tới 15% với các điều khoản tương tự như trong tiêu chuẩn ASTM C595.

2. Sự mềm hóa của các bộ tiêu chuẩn

Tại Hoa Kỳ, khi nhu cầu về việc thử nghiệm và tính bền của vật liệu tiếp tục leo thang, cùng với các quy định hạn chế hơn, ngành công nghiệp xi măng đang nỗ lực để giảm mức tác động của môi trường. Do đó, các quy định trong tiêu chuẩn ASTM C595 và AASHTO M240 đã được sửa đổi vào năm 2012 để cho phép hàm lượng đá vôi lớn hơn 15% sẽ tạo ra tính năng tương đương hoặc lớn hơn trong khi giảm tác động môi trường.

Xi măng được sản xuất tại Hoa Kỳ theo tiêu chuẩn ASTM C1157 trong vài năm gần đây có lịch sử về tính năng thỏa đáng trong các ứng dụng hiện trường. Tuy nhiên, ASTM C1157 còn chưa được chỉ định rộng rãi. Đó là lý do tại sao các quy định cho xi măng Portland - đá vôi đã được phát triển theo tiêu chuẩn ASTM C595 và AASHTO M240. Điều này tác động đáng kể hơn đến tính bền vững có thể đạt được khi các thông số kỹ thuật được tham chiếu rộng rãi hơn.

Các phiên bản 2012 của ASTM C595 và AASHTO M240 đều có tên một loại xi măng mới: loại xi măng ký hiệu IL, yêu cầu từ 5% đến 15% đá vôi làm một thành phần. Hầu hết các loại xi măng IL là khoảng 10% đến 12% đá vôi. Xi măng loại IL này có thể được thay thế cho xi măng loại C150 loại I, nhưng không phải là xi măng loại II hoặc loại V, vì tại thời điểm này không có quy định nào về tính bền sunfat. Việc thử nghiệm đang vẫn đang diễn ra và những sửa đổi trong tương lai của ASTM sẽ nói lên vấn đề này.

Đá vôi là một vật liệu mềm hơn clinker và do đó tốn ít năng lượng hơn để nghiền đến cùng độ mịn. Trong khi nghiền kết thúc xi măng, điều này dẫn đến sự phân bố cỡ hạt tốt hơn trong xi măng và tăng cường đóng rắn hạt và mật độ bột nhão trong bê tông. 

Bảng 1 trình bày từ một nghiên cứu của Canada, nơi có 12 loại xi măng khác nhau được tách thành ba nhóm: nhóm không có vật liệu đóng rắn bổ sung (VDB), nhóm với xi măng xỉ 35% và nhóm có tro bay 20%.

Trong mỗi nhóm, xi măng portland thông thường đã được sử dụng và sau đó là ba loại XPV khác. Ba hỗn hợp XPV có các số đo Blaine khác nhau, đó là một dấu hiệu cho thấy chúng được nghiền mịn như thế nào. 

Như có thể thấy trong Bảng 1, XPV-3 trong mỗi nhóm hiển thị cường độ cao nhất và là hỗn hợp mịn hơn, với các giá trị Blaine là 560 m²/kg.

 

Bảng này được lấy từ “Tính thời hiệu của bê tông được sản xuất từ xi măng Portland-đá vôi: nghiên cứu của Canada, Thomas và Hooton (2010).

3. Một số ảnh hưởng lên bê tông tươi

Khả năng thi công:

Nói chung, độ mịn của đá vôi là yếu tố chính ảnh hưởng đến khả năng thi công. Một số ý kiến xem xét lại đã đề xuất rằng, việc sử dụng đá vôi có thể thay thế cho nhu cầu nước, gây ra sự tăng nhẹ hay giảm so với bê tông được chế tạo bằng xi măng truyền thống. Do đó, nảy sinh vấn đề là XPV có thể được sử dụng theo cùng cách tiếp cận của xi măng Portland truyền thống.

Nước tích lũy sẽ làm các hạt hấp thụ nước lên bề mặt của chúng; do đó sự tách nước phụ thuộc nhiều vào diện tích bề mặt của các hạt xi măng. Do đó diện tích bề mặt tăng, sự hấp thụ nước sẽ tăng. Việc tăng độ mịn của xi măng hay đá vôi sẽ thêm diện tích bề mặt. Sự hấp thụ nước do đó sẽ tăng và sự tách nước sẽ giảm. Việc sử dụng đá vôi trong xi măng có thể làm giảm nhẹ sự tách nước trên cơ sở độ mịn của nó nhưng nói chung không phải là một ảnh hưởng lớn.

Thời hạn đóng rắn

Dựa trên các nghiên cứu, dường như xi măng với đá vôi có thể có ảnh hưởng nhỏ đến thời hạn đóng rắn. Tuy nhiên, điều này không liên quan đến tỷ lệ pha đá vôi từ 15% trở xuống. Nhìn chung, đã có báo cáo rằng ảnh hưởng của đá vôi đến thời hạn đóng rắn có liên quan chặt chẽ đến độ mịn của đá vôi. Khi đá vôi được nghiền mịn hơn, thời hạn đóng rắn bị giảm.

Sự Hydrat hóa

Các hạt đá vôi hoạt động như các vị trí tạo mầm cho các sản phẩm hydrat hóa. Điều này có nghĩa là các hạt đá vôi nhỏ được treo lơ lửng trong bột nhào giữa các hạt clinker và trở thành vị trí trung gian cho C-S-H (phase liên kết chính trong bê tông) tăng trưởng, cải thiện tính năng của bê tông. Do đó, việc đưa đá vôi vào có thể làm tăng tốc độ hydrat hóa.

Trong quá trình hydrat hóa hỗn hợp bê tông, tỷ lệ nước/vật liệu kết dính thấp, một phần xi măng thường còn chưa bị hydrate hóa. Nó chỉ nằm trong bê tông như chất độn làm đầy. Đó là chất độn gây ra tốn kém, vì xi măng thường là một yếu tố tạo chi phí lớn trong bê tông. Tiết kiệm chi phí này có thể đạt được bằng cách thay thế xi măng bằng vật liệu tương đối trơ là đá vôi.