Trong quá trình đóng rắn chắc của đá xi măng, thường phát sinh ra một l−ợng nhiệt thuỷ hoá.
L−ợng nhiệt thuỷ hoá của xi măng chủ yếu phụ thuộc vào thành phần khoáng, độ mịn và hàm l−ợng thạch cao trong xi măng.
Các khoáng C3A và C3S của xi măng là những khoáng có nhiệt thuỷ hoá
lớn nhất Khi sử dựng xi măng để sản xuất bê tông, l−ợng nhiệt phát ra có lợi cho thi công bê tông vào mùa lạnh, vì nó sẽ đẩy . nhanh quá trình rắn chắc của bê tông, nh−ng không có lợi khi thi công vào mùa nóng. Đặc biệt đối với các công trình bê tông khối lớn, l−ợng nhiệt thuỷ hoá trong lòng khối bê tông rất lớn gây ra ứng suất nhiệt làm nứt nẻ cấu trúc bê tông.
8.1. Nguyên tắc xác định nhiệt thuỷ hoá
Hiện nay, có nhiều phương pháp xác định nhiệt thuỷ hoá của xi măng.
Trong giáo trình này chỉ giới thiệu 2 ph−ơng pháp:
8.1.1. Ph−ơng pháp tính theo thành phần khoáng của xi măng 8.1.1.1. Nguyên tắc xác xác định
Từ kết quả phân tích thành phần hoá, khoáng của clanhke xi măng, tính
đ−ợc nhiệt thuỷ hoá của xi măng (theo lý thuyết).
8.1.1. 2. Ph−ơng pháp tính
Thành phần hoá của clanhke, xi măng đ−ợc xác định theo TCVN 14 1:
1998.
Sau khi xác định đ−ợc thành phần hoá, tiến hành tính thành phần khoáng của clanhke nh− mục 3.2.2 ch−ơng 1.
Nhiệt thủy hoá của các đơn khoáng nh− trong bảng 8 Bảng 8:
Thành phần khoáng
L−ợng nhiệt thuỷ hoá Cal/g
3 ngày 7 ngày 28 ngày 90 ngày 180 ngày 360 ngày
C 1S 98 1 10 1 14 122 12 1 136
C2S 19 18 44 55 53 62
C3A 170 188 202 188 2 18 200
C4AF 29 43 48 47 73 30
Nhiệt thuỷ hoá của xi măng theo lý thuyết (H ) tính bằng Cal/g, đ−ợc ltn tính theo công thức:
ltn
H = 100
H AF.
%C H
A.
%C H
.S.
%C S.H
%C3 C3Sn + 2 C2Sn + 3 C3An + 4 C4AFn
Trong đó:
%C3S, %C2S, %C3A, %C4AF: là hàm l−ợng phần trăm các khoáng trong clanhke xi măng (tính đ−ợc ở trên).
HnC3S, HnC2S, HnC3S, HnC4AF: là nhiệt thuỷ hoá của các đơn khoáng C3S, C2S, C3A, C4AF t−ơng ứng với các tuổi thử (bảng 8).
VÝ dô:
Sau khi phân tích thành phần hoá của xi măng, tính đ−ợc thành phần khoáng nh− sau:
C3S = 55,2%; C2S = 22,3%; C3A = 1 1 ,6 %; C4AF = 8,9 %
Nhiệt thuỷ hoá của xi măng tính theo lý thuyết ở tuổi 28 ngày sẽ là:
Hnlt=
100
8,9x48 I,6x202
1 24,3x44
56,2xl14+ + + = 102,06cal/g
8.1.2. Ph−ơng pháp đo nhiệt hoà tan
Theo ph−ơng pháp này, nhiệt thuỷ hoá của xi măng poóclăng đ−ợc xác
định bằng cách đo nhiệt hoà tan của mẫu xi măng ch−a thuỷ hoá (Qo) và mẫu xi
măng đã thuỷ hoá (Qn) Nhiệt hoà tan của mẫu xi măng đã thuỷ hoá (Qn) thường
đo của các tuổi 3 ngày, 7 ngày và 28 ngày.
Hiệu số (Qo - Qn) là nhiệt thuỷ hoá của xi măng đối với thời gian tương ứng.
Đây là phương pháp xác định nhiệt thuỷ hoá của xi măng bằng thực nghiệm, đ−ợc quy định nh− trong tiêu chuẩn TCVN 6070 : 1995 “Xi măng poóc lăng - Phương pháp xác định nhiệt thuỷ hoá”. Chúng tôi sẽ trình bày cụ thể các dụng cụ cần thiết và cách tiến hành đo nhiệt thủy hoá của xi măng theo ph−ơng pháp này.
8.2. Các dụng cụ cần thiết 8.2.1. Nhiệt l−ợng kế
Nhiệt l−ợng kế dùng để đo nhiệt hoà tan của xi măng có cấu tạo đ−ợc mô
tả nh− hình 14.
8.2.2. Dụng cụ và hoá chất - Thùng d−ỡng mẫu.
- Cối sứ hoặc cối đồng.
- Chảo và bay trộn mẫu được qui định như chương 4.
- ống nghiệm có đ−ờng kính 10 mm, dung tích khoảng 15 ml, có nút hoặc túi nhựa PVC hai lớp có dung tích từ 15ữ 20 ml.
- Tủ sấy có bộ phận điều chỉnh nhiệt độ.
- Lò nung 10000C.
- ChÐn sÊy, chÐn nung.
- Sàng thí nghiệm có kích th−ớc lỗ 0,2 mm và 0,5 mm.
- Cân kỹ thuật có độ chính xác 0, 1 gam.
- Cân phân tích có độ chính xác 0,002 gam.
- B×nh hót Èm.
- Đồng hồ bấm giây hoặc để bàn.
- Kính phóng đại 10 lần.
- Hộp thuỷ tinh có nắp, đ−ờng kính từ 30 - 40 mm.
- Th×a nhá.
- Chổi lông nhỏ.
- B×nh thuû tinh 10 lÝt.
- Bình định mức 1 000 ml.
- ống đong 10 ml và 500 ml.
- Pipet 50 ml.
- §òa thuû tinh.
- Kẽm ôxit ZnO, tinh khiết phân tích (TKPT).
- AxÝt nitric HNO3 (y = 1,42 kg/ 1).
- Axít HF có nồng độ 38ữ 40 %.
- Paraphin.
- N−íc cÊt
8.3. Chuẩn bị hoá chất và mẫu thử.
8.3.1. Xử lý ZnO tinh khiết phân tích (TKPT) để xác định hằng số máy Cân 30 g ZnO (TKPT), nung 1 giờ ở nhiệt độ từ 900 - 9500C, để nguội trong bình hút ẩm. Nghiền nhỏ ZnO đã nung qua sàng 0,2mm, cân khoảng hơn 5g nung lại ở nhiệt độ 900: 9500C không quá 5 phút, để nguội trong bình hút ẩm không ít hơn 2,5 giờ và không nhiều hơn 5 giờ, dùng cân phân tích cân chính xác 5.000 gam để xác định hằng số máy.
8.3.2. Pha axÝt nitric HNO3 - 2N
- Đong 140 ml HNO3 (y = 1,42 kg/ 1) pha thêm 860 ml nước cất để được 1000 ml HNO3 - 2N. Mỗi lần xác định nhiệt thuỷ hóa của xi măng, cần pha khoảng 8 - 1 0 lít HNO3 - 2N. Khi pha, cần chú ý đong nước và axít đúng theo tỉ lệ dùng đũa thuỷ tinh khuấy đều để nồng độ axít đảm bảo yêu cầu, cẩn thận không để axít bắn vào người.
8.3.3. Chuẩn bị mẫu ximăng ch−a thuỷ hoá và chế tạo mẫu xi măng thuỷ hoá
Để xác định nhiệt thuỷ hoá cần khoảng 500 gam xi măng, gói và bảo quản trong thùng cách ẩm.
Dùng cân kỹ thuật cân 100 gam mẫu xi măng cho vào chảo đã đ−ợc lau sạch bằng vải ẩm, dùng bay làm thành hốc ở giữa, đổ 40ml nước cất, rồi dùng bay trộn đều hỗn hợp xi măng nước trong 4 phút. Dùng thìa xúc hồ xi măng đã
trộn vào 4 ống nghiệm thuỷ tinh hoặc 4 túi PVC, sao cho khi nút ống nghiệm hoặc buộc túi PVC khoảng trốn,. còn lại trong ống hoặc túi không quá 2 ml. Sau
đó đặt mẫu trong thùng d−ỡng hộ bảo quản ở nhiệt độ 27 + 20c cho tới khi các tuổi thử.
8.3.4. Kiểm tra khả năng cách nhiệt của bình téc mốt
Đổ 400 ml nước nóng có nhiệt độ từ 45 - 500C vào bình. Đậy nắp bình, ghi nhiệt độ trên nhiệt kế Becman ngày sau khi đổ nước vào bình téc mốt và sau đó 30 phút. Bình téc mốt đ−ợc coi là có độ cách nhiệt đạt yêu cầu nếu mức giảm nhiệt độ sau 30 phút không lớn hơn 0,00 10 C bình quân trên 1 phút và trên độ chênh lệch nhiệt độ nước trong bình và nhiệt độ phòng thí nghiệm.
VÝ dô:
- Nhiệt độ nước nóng đổ vào bình téc mốt là 500C, nhiệt độ phòng thí nghiệm là 270C. Nhiệt độ đọc đ−ợc trên nhiệt kế Becman ngày sau khi
đổ nước nóng vào bình là 0,750C và sau 30 phút là 0,440C.
- Mức giảm nhiệt độ (∆t) của bình téc mốt sau 30 phút là:
∆t =
27) - 30x(50
0,44 -
0,75 = 0,000450C
Với mức giảm nhiệt độ sau 30 phút nh− trên, bình téc mốt đảm bảo yêu cầu cách nhiệt theo qui định.
8.4. Tiên hành thử
8.4.1. Xác định hằng số máy
Tr−ớc khi thử nghiệm 1 giờ, các dựng cụ thí nghiệm và các bình hoá chất
đ−ợc đặt tại phòng thí nghiệm để nhiệt độ của chúng bằng nhiệt độ phòng thí nghiệm.
Đổ 390 ml HNO3- 2N (đã đ−ợc chuẩn bị theo mục 8.3.2) vào bình téc mốt, rồi đổ thêm 10 … 0,1 ml HF (nồng độ 38 ữ 40%) vào bình (dùng ống đong
đã tráng paraphin). Khuấy sơ bộ hỗn hợp axít bằng đũa thuỷ tinh (đã tráng paraphin). Chú ý kiểm tra để cánh khuấy của máy khuấy không chạm vào chuôi nhiệt kế, chuôi phễu, thành và đáy bình.
Bắt đầu cho máy khuấy hoạt động.
Đọc nhiệt độ trên nhiệt kế Becman qua kính phóng đại chính xác đến 0.0010C khi bắt đầu khuấy (To) và sau 5 phút khuấy (T5). Ngay sau khi ghi nhiệt
độ T5, đổ 5g mẫu ZnO (đã chuẩn bị theo mục 8.3.1) qua phễu trong 1 đến 2 phút.
Dùng chổi lông gạt hết các hạt ZnO bám quanh thành, cuống phễu xuống bình téc mốt. Sau đó ghi nhiệt độ sau 25 phút khuấy (T25) và 30 phút khấy (T30).
Hằng số máy (Ck) tính bằng Cal/độ, theo công thức:
CK =
Tdc
T)]
- [30 0,1 [256,1 m
∆
+ (1)
Trong đó:
- m là khối l−ợng mẫu ZnO, tính bằng g
- 256,1 là hệ số nhiệt hoà tan của ZnO ở 300C, tính bằng Cal/g.
- 0,1 (30 - T) là giá trị điều chỉnh nhiệt hoà tan của ZnO theo nhiệt độ.
- T là nhiệt độ được tính bằng tổng của nhiệt độ dưng môi trước khi hoà tan (Tdm) và mức tăng nhiệt độ của giai đoạn hoà tan (∆Tdc) : T = Tdm +
∆Tdc. Thông thường thì nhiệt độ của dung môi bằng nhiệt độ phòng thí nghiệm.
- ∆Tdc là mức tăng nhiệt độ của giai đoạn hoà tan, tính bằng oC, đ−ợc tính theo công thức:
∆Tdc = (T25 - T5) + 4 (T25 - T30) (2) Trong đó:
- T25 là nhiệt độ tại thời điểm cuối của giai đoạn hoà tan, tính bằng 0C.
- T5 là nhiệt độ của dung môi hoà tan trước khi cho mẫu thử ZnO vào bình, tính bằng 0C.
- T30 là nhiệt độ tại thời điểm cuối của giai đoạn hoà tan ZnO, tính bằng
0C.
Để xác định hằng số máy, cần tiến hành kiểm tra 2 lần, kết quả 2 lần kiểm tra không đ−ợc chênh lệch nhau quá 5 Cal/độ.
Hằng số máy Ck là trung bình cộng kết quả của 2 lần kiểm tra, chính xác
đến 0,1 Cal/độ.
Chó ý:
Hằng số máy chỉ cơn xác định 1 lần , hằng sô máy cần phải xác định lại khi có một trong các thay đổi sau:
- Thay mới nhiệt kế béc man, cánh khuấy hoặc bình téc mốt.
- Thay mới lớp vật liệu cách nhiệt của bình téc mốt.
- Tráng lớp bảo vệ mới cho nhiệt kế, cánh khuấy hoặc bình téc mốt.
8.4.2. Xác định nhiệt hoà tan của xi măng ch−a thuỷ hóa
Dùng cân phân tích cân 2,000 gam xi măng (mo) đựng trong hộp thuỷ tinh
đặt trong bình hút ẩm tại bàn thí nghiệm để nhiệt độ của mẫu bằng nhiệt độ phòng thí nghiệm.
Việc xác định nhiệt hoà tan của xi măng ch−a thủy hoá đ−ợc tiến hành thử nh− trình tự mục 8.4.1 nh−ng thay mẫu thử ZnO bằng mẫu xi măng ch−a thủy hoá.
Xác định hàm l−ợng mất khi nung (MKN) của mẫu xi măng ch−a thuỷ hoá nh− sau (theo TCVN 141 : 1998): Lấy 150 ữ 250 gam xi măng đổ trên tờ giấy láng, trải thành lớp mỏng. Dùng nam châm để hút sắt kim loại lẫn trong xi măng, sau đó dùng phương pháp chia tư lấy khoảng 25 gam đem nghiền trên cối mã não thành bột mịn (cỡ hạt 0,063 mm). Dùng cân phân tích cân 1 gam xi măng đã đ−ợc chuẩn bị nh− trên cho vào chén sứ đã đ−ợc nung ở nhiệt độ 950 - 10000C đến khối l−ợng không đổi. Nung trong lò ở nhiệt độ 950 ữ 10000C trong 1 giờ, lấy mẫu ra để nguội trong bình hút ẩm đến nhiệt độ phòng thí nghiệm.
Cân, nung lại ở nhiệt độ trên trong 15 phút, làm nh− vậy cho đến khi khối l−ợng không đổi.
L−ợng mất khi nung (MKN), tính bằng %, theo công thức:
MKN =
0 2 1
g g -
g % (3)
Trong đó:
- gl: Khối l−ợng mẫu và chén tr−ớc khi nung, tính bằng gam.
- g2: Khối l−ợng mẫu và chén sau khi nung, tính bằng gam.
- g0: Khối l−ợng mẫu lấy phân tích, tính bằng gam.
Tiến hành xác định hàm l−ợng mất khi nung 2 lần, chênh lệch kết quả
không lớn hơn 0,1 %. Nếu chênh lệch kết quả giữa 2 lần lớn hơn 0,1 % thì phải tiến hành làm lại.
- Nhiệt hoà tan của xi măng ch−a thuỷ hoá (Q0) tính bằng Cal/g, theo công thức:
Q0 = '
0
dc dc
K
m
T 0,2 AT
.
C + (4)
Trong đó:,
- Ck: hằng số máy, tính theo Cal/độ.
- TDC: mức tăng nhiệt độ của giai đoạn hoà tan, tính bằng 0C, theo công thức (2).
- 0,2: nhiệt l−ợng riêng của xi măng ch−a thuỷ hoá, tính bằng Cal/độ.
- m : khối l−ợng mẫu thử xi măng ch−a thuỷ hoá đã nung, tính bằng '0 gam:
'0
m = m0
100 MKN 100−
Trong đó:
- m0: Khối l−ợng mẫu thử xi măng ch−a thuỷ hoá, tính bằng g.
- MKN: Hàm l−ợng mất khi nung của xi măng, tính bằng phần trăm, theo công thức (3).
Tiến hành xác định nhiệt hoà tan của mẫu xi măng ch−a thuỷ hoá 2 lần, kết quả 2 lần thử chênh lệch nhau không quá 5 Cal/g.
Kết quả nhiệt hoà tan của xi măng ch−a thuỷ hoá là trung bình cộng của kết quả 2 lần đo, chính xác đến 0,1 Cal/g.
8.4.3. Xác định nhiệt hoà tan của xi măng thuỷ hoá ở tuổi n ngày
Mỗi tuổi thử lấy một mẫu xi măng thuỷ hoá ở trong thùng bảo quản mẫu (đã đ−ợc chuẩn bị theo mục 8.3.3), bỏ vỏ bọc, đập nghiền bằng cối sứ hoặc cối
đồng cho đến khi mẫu thử lọt qua sàng 0,5 mm. Tiến hành nghiền, sàng nhanh
để tránh hiện tượng cácbonat hoá và bay hơi nước (nhất là đối với các tuổi thử sím).
Dùng cân phân tích cân 2,800 gam mẫu đã chuẩn bị nh− trên (mn) đựng trong hộp thuỷ tinh có nắp kín đặt tại bàn thí nghiệm để nhiệt độ của mẫu bằng nhiệt độ phòng thí nghiệm.
Tiến hành xác định nhiệt hoà tan của mẫu xi măng thuỷ hoá ở tuổi n ngày nh− trình tự mục 8.4.1 nh−ng thay mẫu thử ZnO bằng mẫu xi măng thuỷ hoá ở tuổi n ngày.
Xác định hàm l−ợng mất khi nung của mẫu xi măng thuỷ hoá ở tuổi n ngày: Mẫu xi măng đã thuỷ hoá ở tuổi n ngày đ−ợc nghiền nhỏ (lọt qua sàng 0,063 mm), sau đó sấy khô ở nhiệt độ l050C trong 1 giờ, để nguội trong bình hút ẩm. Cân 1000 gam xi măng thuỷ hoá ở tuổi n ngày đ−ợc chuẩn bị nh− trên và tiến hành nung ở nhiệt độ 9500C trong 5 giờ, lấy mẫu ra để nguội trong bình hút Èm.
Hàm l−ợng mất khi nung (MKN) của mẫu xi măng thuỷ hoá n ngày đ−ợc tính theo cộng thức (3).
Nhiệt hoà tan của mẫu xi măng thuỷ hoá ở tuổi n ngày (Qn) tính bằng Cal/g, theo công thức:
Qn = ' dc
n dc
k 0,4 T
m T x
C ∆ + ∆ (6)
Trong đó:
- Ck, Tdc: nh− giải thích ở công thức (4).
- 0,4: nhiệt l−ợng riêng của xi măng thuỷ hoá n ngày, tính bằng Cal/độ.
- m : khối l−ợng mẫu thử xi măng thuỷ hoá ở tuổi n ngày đã nung, tính 'n bằng gam.
'n
m = mn
100 MKN -
100 (7)
Trong đó:
- mn: khối l−ợng mẫu xi măng thuỷ hoá ở tuổi n ngày, tính bằng gam.
- MKN: là hàm l−ợng mất khi nung của mẫu xi măng thuỷ hoá ở tuổi n ngày, tính bằng %,
Tiến hành xác định nhiệt hoà tan của mẫu xi măng thuỷ hoá ở tuổi n ngày 2 lần. Kết quả 2 lần thử chênh lệch nhau không quá 5 Cal/g.
Kết quả nhiệt hoà tan của xi măng thuỷ hoá ở tuổi n ngày là trung bình cộng kết quả 2 lần đo, chính xác đến 0,1 Cal/g.
8.4.4. Tính nhiệt thuỷ hoá cla xi măng ở buổi n ngày
Nhiệt thuỷ hoá của xi măng ở tuổi n ngày (Hn) tính bằng Cal/g, theo công thức:
Hn = Q0 - Qn (8) Trong đó:
- Q0: nhiệt hoà tan của xi măng ch−a thủy hoá, tính bằng Cal/g theo công thức (4)
- Qn: nhiệt hoà tan của xi măng thuỷ hoá ở tuổi n ngày tính bằng Cal/g theo công thức (6).
Nhiệt thuỷ hoá của xi măng Hn lấy chính xác đến 0,1 Cal/g.