Xi măng là gì? Công thức, quá trình đông cứng của xi măng?

1. Xi măng là gì?

Xi măng là một vật liệu xây dựng quan trọng được sử dụng rộng rãi trên toàn thế giới. Đây là một loại vật liệu kết cấu được tạo thành từ sự kết hợp của các thành phần chính là đất sét và vật liệu chứa canxi.

Xi măng (từ tiếng Pháp: ciment) là một loại chất kết dính thủy lực, được tạo thành bằng cách nghiền mịn clinker, thạch cao thiên nhiên và phụ gia (vỏ sò, đất sét). Clinker là sản phẩm của quá trình nung chảy các nguyên liệu như đá vôi, đất sét, sắt… ở nhiệt độ cao trong lò nung. Thạch cao thiên nhiên là một loại khoáng vật có công thức hóa học là CaSO4.2H2O, được dùng để điều chỉnh thời gian đóng rắn của xi măng. Phụ gia là các chất được thêm vào để cải thiện các tính chất của xi măng như độ bền, độ dẻo, khả năng chống ăn mòn…

Xi măng được sử dụng chủ yếu để tạo ra bê tông, một vật liệu xây dựng quan trọng khác. Bằng cách pha trộn xi măng với cát, sỏi, nước và các chất phụ gia khác, ta có thể tạo ra bê tông có khả năng cứng lại thành một vật liệu rắn và chịu lực tốt. Bê tông được sử dụng rộng rãi để xây dựng các công trình như nhà cửa, cầu, đường, bức tường, nền móng, và các công trình khác.

Ngoài ra, xi măng cũng có thể được sử dụng trong các ứng dụng khác như sản xuất gạch, gạch chống cháy, vật liệu cách nhiệt, và các ứng dụng công nghiệp khác.

2. Tính chất cơ học của xi măng:

Tính chất cơ học của xi măng là những đặc tính liên quan đến khả năng chịu lực, chịu nén, chịu kéo, chịu uốn và đàn hồi của vật liệu xi măng. Tính chất cơ học của xi măng phụ thuộc vào nhiều yếu tố như thành phần khoáng, tỷ lệ nước-xi măng, thời gian thủy hóa, độ rỗng, kích thước và hình dạng của các lỗ rỗng trong vi cấu trúc của xi măng.  

Một số ví dụ về tính chất cơ học của xi măng là:

– Cường độ chịu nén: là khả năng chịu được áp lực nén trên đơn vị diện tích. Cường độ chịu nén của xi măng thường cao hơn cường độ chịu kéo và cường độ chịu uốn. Cường độ chịu nén của xi măng phụ thuộc vào tỷ lệ nước-xi măng, thời gian thủy hóa và độ rỗng. Càng giảm tỷ lệ nước-xi măng, càng tăng thời gian thủy hóa và càng giảm độ rỗng thì càng tăng cường độ chịu nén của xi măng. 

– Cường độ chịu kéo: là khả năng chịu được lực kéo trên đơn vị diện tích. Cường độ chịu kéo của xi măng thường thấp hơn cường độ chịu nén và cường độ chịu uốn. Cường độ chịu kéo của xi măng phụ thuộc vào tỷ lệ nước-xi măng, thời gian thủy hóa và độ rỗng. Càng giảm tỷ lệ nước-xi măng, càng tăng thời gian thủy hóa và càng giảm độ rỗng thì càng tăng cường độ chịu kéo của xi măng. 

– Cường độ chịu uốn: là khả năng chịu được lực uốn trên đơn vị chiều dài. Cường độ chịu uốn của xi măng thường cao hơn cường độ chịu kéo nhưng thấp hơn cường độ chịu nén. Cường độ chịu uốn của xi măng phụ thuộc vào tỷ lệ nước-xi măng, thời gian thủy hóa và độ rỗng. Càng giảm tỷ lệ nước-xi măng, càng tăng thời gian thủy hóa và càng giảm độ rỗng thì càng tăng cường độ chịu uốn của xi măng. 

– Module đàn hồi: là tỷ số giữa ứng suất (lực trên đơn vị diện tích) và biến dạng (đơn vị chiều dài) khi vật liệu bị biến dạng trong phạm vi biến dạng nhỏ (đàn hồi). Module đàn hồi của xi măng cho biết khả năng trở lại trạng thái ban đầu khi bỏ lực tác dụng lên vật liệu. Module đàn hồi của xi măng phụ thuộc vào tỷ lệ nước-xi măng, thời gian thủy hóa và độ rỗng. Càng giảm tỷ lệ nước-xi măng, càng tăng thời gian thủy hóa và càng giảm độ rỗng thì càng tăng module đàn hồi của xi măng. 

3. Phân loại xi măng:

Có nhiều loại xi măng khác nhau, phù hợp với các ứng dụng và điều kiện khác nhau. Theo Tạp chí Vật liệu Khoa học, xi măng được phân loại theo tiêu chuẩn Việt Nam TCVN 2682:2009 thành 5 loại cơ bản sau:

– Xi măng Portland (PC): là loại xi măng thông dụng nhất, có thành phần chính là clinker và thạch cao. Loại này có độ bền cao và thích hợp cho các công trình xây dựng thông thường.

– Xi măng Portland hoá học (PCC): là loại xi măng có thành phần clinker giảm xuống từ 65% đến 79% và được thay thế bằng các phụ gia hoá học như tro bay, xỉ lò cao, tro trấu… Loại này có khả năng chống ăn mòn do muối biển, axit và sulfat tốt hơn xi măng Portland.

– Xi măng Portland trái phiếu (PBF): là loại xi măng có thành phần clinker giảm xuống từ 45% đến 64% và được thay thế bằng các phụ gia trái phiếu như tro bay, xỉ lò cao, tro trấu… Loại này có khả năng chịu nhiệt và chống co ngót tốt hơn xi măng Portland.

– Xi măng Portland composite (PCC): là loại xi măng có thành phần clinker giảm xuống từ 65% đến 79% và được thay thế bằng sự kết hợp của các phụ gia hoá học và trái phiếu. Loại này có các tính chất tương tự như xi măng Portland hoá học và xi măng Portland trái phiếu.

– Xi măng siêu nhanh (SRPC): là loại xi măng có thành phần clinker tăng lên từ 80% đến 95% và được thêm vào các phụ gia như fluorit, silic fume… Loại này có khả năng đóng rắn rất nhanh và có độ bền cao trong thời gian ngắn. Loại này thường được dùng cho các công trình khẩn cấp hoặc yêu cầu độ bền cao.

Ngoài ra, còn có các loại xi măng đặc biệt khác như xi măng chịu nhiệt, xi măng chống thấm, xi măng trắng… được sản xuất theo các công nghệ và công thức riêng biệt.

4. Quy trình sản xuất xi măng:

Quy trình sản xuất xi măng là quá trình biến đổi các nguyên liệu thô như đá vôi, đất sét, quặng sắt, thạch cao và cát thành sản phẩm xi măng có chất lượng cao. Quy trình này gồm có sáu giai đoạn chính:

– Giai đoạn 1: Khai thác và tách nguyên liệu thô. Đây là giai đoạn lấy các nguyên liệu thô từ mỏ và nghiền nhỏ chúng trước khi vận chuyển đến nhà máy.

– Giai đoạn 2: Nghiền, phân chia theo tỉ lệ và trộn lẫn. Đây là giai đoạn phối trộn các nguyên liệu thô theo tỉ lệ nhất định để tạo ra hỗn hợp nguyên liệu xi măng.

– Giai đoạn 3: Giai đoạn trước khi cho vào lò. Đây là giai đoạn sấy khô và nung nóng hỗn hợp nguyên liệu xi măng trong lò quay khô hoặc lò quay đứng.

– Giai đoạn 4: Giai đoạn trong lò. Đây là giai đoạn phản ứng hóa học giữa các thành phần nguyên liệu để tạo ra clinker, là sản phẩm chính của quá trình sản xuất xi măng.

– Giai đoạn 5: Giai đoạn làm mát và giai đoạn nghiền hoàn chỉnh. Đây là giai đoạn làm mát clinker bằng không khí hoặc nước và nghiền mịn clinker cùng với các chất phụ gia như thạch cao, cát để tạo ra xi măng thành phẩm.

– Giai đoạn 6: Đóng bao và vận chuyển. Đây là giai đoạn bao bì và giao hàng xi măng cho khách hàng hoặc các kho lưu trữ.

Quy trình sản xuất xi măng có thể khác nhau tùy thuộc vào công nghệ, thiết bị và nguồn nguyên liệu của từng nhà máy. Tuy nhiên, các giai đoạn cơ bản vẫn giống nhau và tuân theo các tiêu chuẩn kỹ thuật quốc tế.

5. Quá trình đông cứng của xi măng:

Quá trình đông cứng của xi măng là quá trình hóa học xảy ra khi xi măng được trộn với nước, tạo ra các hợp chất thủy hóa có khả năng kết dính và chịu lực. Quá trình này bao gồm hai giai đoạn: đông kết và đóng rắn. Đông kết là giai đoạn xi măng bắt đầu đông đặc lại, mất đi tính dẻo và có thể chịu được tải trọng nhỏ. Đóng rắn là giai đoạn xi măng tiếp tục phản ứng với nước, tạo ra các tinh thể hiđrat đan xen vào nhau thành khối cứng và bền. Thời gian quá trình đông cứng của xi măng phụ thuộc vào nhiều yếu tố như thành phần khoáng, độ mịn, phụ gia, điều kiện bảo quản và bảo dưỡng. Mỗi loại xi măng sẽ có thời gian quá trình đông cứng khác nhau, từ vài giờ đến vài ngày. 

Các thành phần khoáng chính của xi măng là clinker, thạch cao và các phụ gia khác. Clinker là sản phẩm của quá trình nung chảy các nguyên liệu như đất sét, vôi và sắt ở nhiệt độ cao. Clinker gồm các khoáng là Alit (C3S), Bêlít (C2S), aluminate (C3A) và phe-rít (C4AF). Thạch cao được thêm vào để điều chỉnh thời gian đông kết của xi măng. Các phụ gia khác có thể là các khoáng vật tự nhiên hoặc nhân tạo, như vôi, tro bay, xỉ thép, cát biển… để cải thiện các tính chất của xi măng. 

Khi xi măng tiếp xúc với nước, các hợp chất trong clinker sẽ hydrat hóa, tức là kết hợp hóa học với nước để tạo ra các sản phẩm mới. Các sản phẩm này có dạng tinh thể hoặc gel, có diện tích bề mặt lớn và liên kết chặt chẽ với nhau. Đây là nguyên nhân chính tạo ra sự cứng và bền của xi măng.

Hàm lượng nước trộn ảnh hưởng đến quá trình đông cứng của xi măng bởi vì nó quyết định lượng nước có sẵn cho hydrat hóa. Nếu nước quá ít, quá trình hydrat hóa sẽ không hoàn thành và xi măng sẽ không đạt được cường độ mong muốn. Nếu nước quá nhiều, quá trình hydrat hóa sẽ diễn ra nhanh chóng nhưng sẽ tạo ra nhiều lỗ hổng trong xi măng, làm giảm khả năng chịu lực và kháng ăn mòn.

Điều kiện bảo quản và bảo dưỡng cũng ảnh hưởng đến quá trình đông cứng của xi măng bởi vì chúng ảnh hưởng đến nhiệt độ và độ ẩm của môi trường. Nhiệt độ cao sẽ làm tăng tốc độ hydrat hóa nhưng cũng làm giảm thời gian đông kết và cường độ cuối cùng của xi măng. Nhiệt độ thấp sẽ làm chậm quá trình hydrat hóa và có thể ngừng lại hoàn toàn nếu nhiệt độ dưới 0 độ C. Độ ẩm cao sẽ cung cấp nước cho hydrat hóa và duy trì độ cứng của xi măng. Độ ẩm thấp sẽ làm mất nước của xi măng và làm giảm cường độ và khả năng chống nứt. 

Vì vậy, để đảm bảo quá trình đông cứng của xi măng diễn ra tốt nhất, cần chọn lựa các thành phần phù hợp, điều chỉnh hàm lượng nước hợp lý, bảo quản xi măng ở nơi khô ráo và bảo dưỡng công trình ở điều kiện nhiệt độ và độ ẩm thích hợp.

Quá trình đông cứng của xi măng là quan trọng trong xây dựng vì nó ảnh hưởng đến tiến độ thi công, chất lượng và tuổi thọ của công trình.