Bài giảng Vật liệu xây dựng - Xi măng và phụ gia cho xi măng

1Vật Liệu Xây Dựng 
(Construction Materials)
Bộ môn Vật liệu Silicat
Khoa Công Nghệ Vật Liệu
Đại học Bách Khoa Tp. Hồ Chí Minh
 VLXD-Xi-măng và phụ gia cho xi-măng 8-2
Xi-măng và phụ gia khoáng thay thế 
cho xi-măng
Xi-măng Portland, 
NHỮNG NHẮC LẠI
 VLXD-Xi-măng và phụ gia cho xi-măng 8-3
Mtons of cement
Nguồn : USGS Mineral Commodity summaries 2012
 VLXD-Xi-măng và phụ gia cho xi-măng 8-4
Dự đoán sản xuất và tiêu thụ XM
Nguồn: European Cement Research Academy (2006)
2 VLXD-Xi-măng và phụ gia cho xi-măng 8-5
Qui trình công nghệ sản xuất
T
P
K
H
Á
C
Mỏ nguyên 
liệu
Gia công nghiền, đồng 
nhất thành phần
Nung lò quay Tạo và ủ 
clinker
Nghiền xi- măng
Đ
Á
V
Ô
I
S
É
T
 VLXD-Xi-măng và phụ gia cho xi-măng 8-6
Đá vôi
Quartz
Sét
Quặng sắt
Klg
Thời gian nung trong lò
Aluminat Pha lỏng
LÒ QUAY
Phối l iệu
 d i chu yển
 the o
 nh iệt đ ộ n ung
 tăng
 d ần
Sấy Calciner
Biến đổi 
hóa lý
Phản ứng 
tạo khoáng
Làm nguội
 VLXD-Xi-măng và phụ gia cho xi-măng 8-7
SP Clinker xi-măng Portland
C3S,
Alite
C2S, 
Belite
Các pha 
C3A, C4AF 
và phần 
pha lỏng, 
thủy tinh 
khi nung 
chảy
 VLXD-Xi-măng và phụ gia cho xi-măng 8-8
Nghiền clinker + thạch cao
Clinker PG thạch cao
TP khác
- Phụ gia công 
nghệ, trợ nghiền
- Phụ gia đầy,Phụ 
gia khoáng làm 
thành phần thay thế 
clinker XM
3 VLXD-Xi-măng và phụ gia cho xi-măng 8-9

 Kiểm soát độ mịn nghiêm ngặt

 Blaine, 3200-3700 cm2/g

 Loại khác
4000-5000 cm2/g 
hoặc 2000-3000 cm2/g
Chất lượng xi-măng
 VLXD-Xi-măng và phụ gia cho xi-măng 8-10
Kích thước hạt
% tích lũy
Chủ yếu 
10-50µm
GiỚI HẠN SÓT SÀNG 
80mm, ≤ 15% theo 
TCVN 4030-85
 VLXD-Xi-măng và phụ gia cho xi-măng 8-11
Thành phần
tự do
Cặn ko tan
59%
13%
9%
9%
Kiểm soát để tránh hiện tượng trương nở
40-60%
15-35%
4-14%
10-18%
MgO 4%; CaO tự do 1,5%
XRF
 VLXD-Xi-măng và phụ gia cho xi-măng 8-12
THỦY HÓA
Qúa trình xi-măng thủy hóa
59% Ca3SiO5 C3S
13% Ca2SiO4 C2S
9% Ca3Al2O6 C3A
9% Ca4(Al,Fe)2O10 C4AF
4% CaSO4 CŜ
C-S-H + CH 
C6Ŝ3AH32 + C4ŜAH12
Nước
T
T
v
ữ
a
T
T
đ
ó
n
g
r
ắ
n
Nhào trộn
Thi công, 
đổ khuôn
Ma trận sp CSH
Lỗ rỗng
Tỉ lệ N/X
Tính công tác, 
phụ gia hóa học
THỦY HÓATHỦY HÓA
Biến dạng, co 
ngót 
Nứt, gãyCường độ
Tính bền
4 VLXD-Xi-măng và phụ gia cho xi-măng 8-13
Đóng rắn trong dung dịch
 VLXD-Xi-măng và phụ gia cho xi-măng 8-14
Biểu hiện thông qua nhiệt phản ứng
Đ
Đ
ó
ó
n
g
r
n
g
r
ắ
ắ
n
n
N
h
i
N
h
i
ệ
ệ
t
t
t
t
ỏ
ỏ
a
r
a
t
h
e
o
A
S
T
M
C
1
8
6
a
r
a
t
h
e
o
A
S
T
M
C
1
8
6
Hòa 
tan
P.ứ. 
xảy 
ra rất 
chậm
P.ứ. 
nhanh 
tạo CH, 
CSH
P.ứ. chậm 
dần tiếp tục 
tạo CH, CSH
2% 25% 50%
tgian
 VLXD-Xi-măng và phụ gia cho xi-măng 8-15
Hòa tan 3h  Đóng rắn 10h
24hrs
 VLXD-Xi-măng và phụ gia cho xi-măng 8-16
Cấu trúc sp thủy hóa
Lỗ rỗng
Cốt liệu
C-S-H ngoài 
dung dịch
C-S-H trên bề 
mặt
Hạt XM khan, 
chưa thủy hóa
Các C-H
5 VLXD-Xi-măng và phụ gia cho xi-măng 8-17
C3A
Đ
Đ
ó
ó
n
g
r
n
g
r
ắ
ắ
n
n
N
h
i
N
h
i
ệ
ệ
t
t
t
t
ỏ
ỏ
a
r
a
t
h
e
o
A
S
T
M
C
1
8
6
a
r
a
t
h
e
o
A
S
T
M
C
1
8
6
Hòa tan, 
hấp thụ 
một phần 
SO42-
P.ứ. xảy ra rất 
chậm
P.ứ. tạo 
ettringite
2% 25% 50%
tgianP.ứ. tạo 
ettringite+C3A tạo 
monosulfate
 VLXD-Xi-măng và phụ gia cho xi-măng 8-18
Ettringite
Monosulfate
7 ngày
24 giờ
10ph
 VLXD-Xi-măng và phụ gia cho xi-măng 8-19
Các thành phần sp thủy hóa
48%
14%
11%
16%
# 3% không pứ
 VLXD-Xi-măng và phụ gia cho xi-măng 8-20
Ảnh 
hưởng của 
nhiệt độ
tgian
Nhiệt 
p.ứ. 
tỏa ra
C-S-H, T<200C
C-S-H, T<900C
C-S
C-S-H càng đặc chắc ở T cao, khoảng 
700C <T<1000C
BẢO DƯỠNG
6 VLXD-Xi-măng và phụ gia cho xi-măng 8-21
PHỤ GIA KHOÁNG HỌẠT TÍNH 
CHO XI MĂNG VÀ BÊ TÔNG
Blast Xỉ lò cao
Clinker
+
Thạch cao
limestonePozzolan tự nhiên, đá vôi
Fly AshTro bay
 VLXD-Xi-măng và phụ gia cho xi-măng 8-22
 VLXD-Xi-măng và phụ gia cho xi-măng 8-23
Tổng quan
1. Phân loại phụ gia cho xi măng và bê tông
Phụ gia cho xi măng và bê tông được chia làm 3 nhóm chính:
- Phụ gia khoáng hoạt tính (PGKHT)
- Phụ gia hóa học (Phụ gia hóa dẻo hay siêu dẻo).
- Phụ gia đầy
2. Phụ gia khoáng hoạt tính:
Là những phụ gia khi sử dụng với xi măng portland làm tăng
một số tính chất của quá trình đóng rắn xi măng (tính thủy lực)
hoặc có hoạt tính pozzolanic, hoặc có cả hai tính chất trên.
 VLXD-Xi-măng và phụ gia cho xi-măng 8-24
Cơ chế hoạt tính
 Hoạt tính pozzolanic
- Là khi những vật liệu chứa SiO2 vô định hình hoặc các
alumosilicat ở có kích thước hạt rất bé, khi có mặt ẩm thì
xảy ra phản ứng hóa học với Ca(OH)2 (sản phẩm của quá
trình hydrate hóa xi măng) tạo thành những hợp chất có
tính chất như sp thủy hóa của xi măng.
- Phụ gia khoáng hoạt tính khi sử dụng cho bê tông thông
thường có hàm lượng không vượt quá 60%.
 Phụ gia khoáng hoạt tính có thể có khả năng biểu hiện tính 
thủy lực. Tính thủy lực của phụ gia càng cao khi hàm
lượng CaO trong phụ gia càng cao.
7 VLXD-Xi-măng và phụ gia cho xi-măng 8-25
Thành phần, nguồn gốc
 PGKHT có thành phần chủ yếu SiO2, Al2O3 hoạt tính hoặc Al2O3,2SiO2 và
CaO
 SiO2, Al2O3 hoạt tính,Al2O3. 2SiO2 + H2O, Ca(OH)2→ CSH, CAH bền vững
và làm tăng cường độ của đá xi măng.
 Lấp đầy các khoảng trống do các hạt cốt liệu, các lỗ trống do quá trình
mất nước của gel để lại
PGKHT và nguồn gốc:
- Tro bay loại C (nhiệt điện)
- Meta-Kaolanh (khoáng kaolinite tự 
nhiên) 
- Silica-Fume (khói silic lò điện)
- Tro bay loại F (nhiệt điện)
- Xỉ (luyện thép)
- Đá phiến nung (đá vôi phiến tự nhiên) 
 VLXD-Xi-măng và phụ gia cho xi-măng 8-26
THÀNH PHẦN HÓA PHỤ GIA KHOÁNG
0,3—1,90,66,32,2Khác
0,4—2,20,40,72,0K2O
0,05—0,50,35,81,0Na2O
0,10,40,494,10,8SO3
0,181,640215CaO
0,580,41611Fe2O3
43200,4121823Al2O3
535090353552SiO2
Meta-
kaolin
Đá phiến
nungSilica fumeXỉ lò cao
Tro bay
loại C
Tro bay 
loại F% klg
 VLXD-Xi-măng và phụ gia cho xi-măng 8-27 VLXD-Xi-măng và phụ gia cho xi-măng 8-28
Một số chỉ tiêu
2,502,632,402,942,652,38KL riêng
190,0007300200,00040002000 -7000(4200)
2000 -7000
(4200)
Blaine,
cm2/g
0,73,03,01,00,52,8MKN, %
Meta-kaolin
Đá phiến
nung
Silica 
fume
Xỉ lò
cao
Tro bay
loại CTro bay loại F
7 - 1015 - 355 - 1030 - 4515 - 4015 - 20
Meta-kaolinĐá phiến nungSilica fumeXỉ lò caoTro bay loại CTro bay loại F
Hàm lượng sử dụng, % xi măng
 Hàm lượng sử dụng của một số phụ gia khoáng hoạt tính
8 VLXD-Xi-măng và phụ gia cho xi-măng 8-29
Chỉ số hoạt tính PGKHT

 Mức độ hoạt tính của phụ gia khoáng hoạt tính được đánh giá
- Độ hút vôi, theo TCVN 3735-1982→ Thể hiện hoạt tính
pozzolanic thang đo YẾU – TRUNG BÌNH – MẠNH.
- Chỉ số hoạt tính cường độ IR, theo TCVN 6882-2001:
100×=
A
B
R R
RI Trong đó:
- RB: Cường độ 28 ngày của hỗn hợp
gồm 80% ximăng và 20% phụ gia
- RA: Cường độ của xi măng
Gía trị IR < 75%, phụ gia không có hoạt tính
 Hoặc trường hợp PGK hoạt tính cao TCVN 4315 – 2007, thay 
thế 50%, yêu cầu gía trị I7ngR > 55% và I28ngR > 75% 
 VLXD-Xi-măng và phụ gia cho xi-măng 8-30
 VLXD-Xi-măng và phụ gia cho xi-măng 8-31
Nhóm Pozzolan tự nhiên
- Hoạt tính chủ yếu pozzolanic, nhờ quá trình xử lý nhiệt hay 
nghiền nguyên liệu aluminosilicat tư nhiên.
- Sét diatomite nung, opal, đá phiến nung, meta-kaolin, tro núi lửa, 
đá pumit
- Không mang tính kết dính thủy lực
Meta-Kaolin SEM của Meta-Kaolin
 VLXD-Xi-măng và phụ gia cho xi-măng 8-32
3--4882050Đá phiến
nung
1,520,20,5142958Sét nung
0,70,40,050,10,10,54353Meta-
caolanh
MKNK2ONa2OSO3,CaOFe2O3Al2O3SiO2,Oxít, %
Thành phần của một số phụ gia pozzolan tự nhiên
2,502,632,40 -2,61Khối lượng riêng
190000 - 20000073006500-13500Diện tích bề mặt, cm2/g
≤105-1015 – 35Hàm lượng sử dụng, %
Meta-kaolinĐá phiến nungĐất sét nungChỉ tiêu
Một số chỉ tiêu phụ gia pozzolan tự nhiên
9 VLXD-Xi-măng và phụ gia cho xi-măng 8-33
Nhóm Pozzolan tự nhiên
 Ảnh hưởng của nhóm puzzolan tự nhiên.
- Làm tăng tính công tác của hỗn hợp bê tông
- Tăng khả năng bơm
- Giảm nhiệt thủy hóa của xi măng
- Có khả năng làm tăng cường độ (đặc biệt là meta-
kaolanh)
- Làm giảm phản ứng alkali silica với cốt liệu
 VLXD-Xi-măng và phụ gia cho xi-măng 8-34
Nhóm phụ gia xỉ
Slag
SEM của xỉ 
- Xỉ là phế phẩm tạo thành của ngành công nghiệp luyện kim
- Thành phần chủ yếu là SiO2 vô định hình và các alumosilicat
của CaO như C2S, C4AF, CaO và MgO vô định hình.
- Kích thước hạt của xỉ thường < 45µm.
- Xỉ có thể là chất kết dính độc lập (sử dụng đến 75% với xỉ-XM)
 VLXD-Xi-măng và phụ gia cho xi-măng 8-35
PG xỉ
0,3- 0,50,3 –0,58 - 1138 - 44~ 1,010 -1334 -37%KL
K2ONa2OSO3CaOFe2O3Al2O3SiO2Oxit
 VLXD-Xi-măng và phụ gia cho xi-măng 8-36
PG Xỉ
 Phân loại xỉ: theo ASTM C989
- Xỉ mác 80: có hoạt tính thấp.
- Xỉ mác 100: có hoạt tính trung bình
- Xỉ mác 120: có hoạt tính cao.
30 - 45%2,85-2,954000-6000<1,5
Hàm lượng sử
dụng
Khối lượng riêng, 
g/ cm3
Diện tích bề mặt
riêng, cm2/gMKN, %
 Một số chỉ tiêu của xỉ
10
 VLXD-Xi-măng và phụ gia cho xi-măng 8-37
PG Xỉ 
 Ảnh hưởng của xỉ đến tính chất của vữa XM, bê tông
- Giảm lượng nước sử dụng
- Tăng thời gian bắt đầu và kết thúc đông kết
- Giảm lượng nhiệt của quá trình hydrat hóa
- Giảm phản ứng akali – cốt liệu, tăng khả năng chống phản ứng
hóa học môi trường axit HCl
Nước tiêu chuẩn xi măng xỉ
20
20.5
21
21.5
22
22.5
23
23.5
24
24.5
25
0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50
Hàm lượng xỉ, %
T
ỷ
l
ệ
n
ư
ớ
c
/
x
i
m
ă
n
g
,
%
Thời gian đông kết xi măng xỉ
0
20
40
60
80
100
120
140
160
180
200
220
240
260
280
300
320
340
0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50
Hàm lượng xỉ, %
T
h
ờ
i
g
i
a
n
,
p
h
ú
t
Bắt
đầu
Kết
thúc
 VLXD-Xi-măng và phụ gia cho xi-măng 8-38
PG Xỉ
 VLXD-Xi-măng và phụ gia cho xi-măng 8-39
PG Xỉ
Cấu trúc đặc chắc hơn khi có xỉ
 VLXD-Xi-măng và phụ gia cho xi-măng 8-40
PG Tro bay
SEM của tro bay
Fly Ash
- Là sản phẩm của quá trình cháy của nhiên liệu (than và các thành phần
khác) trong các nhà máy nhiệt điện.
- Thành phần chủ yếu là các SiO2, Al2O3 pha thủy tinh và các oxít Fe2O3, 
CaO. Trong tro bay hàm lượng pha tinh thể rất ít, có thể có mulite.
- Tro bay có cỡ hạt từ 1-100µm, cỡ hạt trung bình khoảng 20µm có dạng
hình cầu hoặc hình cầu rỗng
- Có thể có tính thủy lực (loại C)
11
 VLXD-Xi-măng và phụ gia cho xi-măng 8-41
PG Tro bay
Loại F
Loại C < 1,34 - 73 - 520 - 285 - 8 15 - 2030- 38
1 - 4 1 - 2< 1,5< 88 - 1520 - 2648 - 55
%KL
K2ONa2OSO3CaOFe2O3Al2O3SiO2Oxit
 Thành phần hóa của tro bay
 Phân loại
Theo ASTM C618, tro bay được phân loại theo hàm lượng CaO và C dư
- Loại F: hàm lượng CaO ≤ 10% và C dư ≤ 5%
- Loại C: hàm lượng CaO có thể đến 30% và C dư ≤ 2%
 VLXD-Xi-măng và phụ gia cho xi-măng 8-42
PG Tro bay
15 – 40%2,68>4000< 0,7Loại C
Loại F
Tính chất
15 - 20%~2,38>4000<3,5
Hàm lượng
sử dụng
Khối lượng
riêng, g/ cm3
Diện tích bề mặt
riêng, cm2/g
MKN, %
 Một số chỉ tiêu của tro bay
-1550F
-1050C
-725F
-525C
Loại tro
bay
Lượng nước sử dụng thay
đổi, %
Lượng tro bay, %lượng xi 
măng sử dụng
 Ảnh hưởng PG tro bay đến lượng nước sử dụng
 VLXD-Xi-măng và phụ gia cho xi-măng 8-43
PG Tro bay
 Ảnh hưởng của tro bay làm giảm khả năng tách nước phân tầng của
hỗn hợp bê tông
0,0591,75Không phụ gia
0,0441,31
0,0110,34
- Loại C
- Loại F
ml/cm2%
% độ giảm tách nướcLoại tro bay
 Tăng thời gian đóng rắn của hỗn hợp BT
- Loại F
 - Loại C 
——5:304:15Không phụ gia
1:150:356:454:50
0:450:256:154:40
Kết thúcBắt đầuKết thúcBắt đầu
Chênh lệch thời gian, giờ:phútThời gian đông kết, giờ:phút
Loại tro bay
 VLXD-Xi-măng và phụ gia cho xi-măng 8-44
PG Tro bay
 Ảnh hưởng đến tính chất của BT đóng rắn
- Làm giảm nhiệt thủy hóa của xi măng
- Làm giảm khả năng phản ứng kiềm ASR
- Tăng khả năng chống ăn mòn do p.ứ. hóa học của BT
12
 VLXD-Xi-măng và phụ gia cho xi-măng 8-45
PG Tro bay
Ảnh hưởng đến ARS của
tro bay và xỉ
 VLXD-Xi-măng và phụ gia cho xi-măng 8-46
PG Silica Fume
 Tổng quan về silica fume
Silica fume
SEM của Silica fume
 85%KL
K2ONa2OSO3CaOFe2O3Al2O3SiO2Oxit
 Thành phần hoá của Silicafume
- Là sản phẩm của quá trình sản
xuất sắt silic hoặc hợp kim fero
silicon trong lò điện vòm EAF
 VLXD-Xi-măng và phụ gia cho xi-măng 8-47
PG Silica Fume
Phổ XRD của silica fume
Các hạt Silica fume chưa phản ứng 
trong ma trận sp thủy hóa
Chủ yếu chứa các SiO2 hoạt tính ở pha thuỷ
tinh và có cở hạt rất mịn dạng hình cầu, kích 
thước từ 0,1 - 1µm, tức 1/100 hạt xi măng.
 VLXD-Xi-măng và phụ gia cho xi-măng 8-48
PG Silica Fume
- Hoạt tính pozzolanic rất cao
- Không mang tính thủy lực.
- Khả năng lấp đầy lớn vì kích thước hạt bé, dễ phân tán
 Một số chỉ tiêu của silica fume
5-10%~2,4~200,000< 5 
Hàm lượng sử
dụng
Khối lượng riêng, 
g/cm3
Diện tích bề mặt
riêng, cm2/ g
MKN, %
13
 VLXD-Xi-măng và phụ gia cho xi-măng 8-49
PG Silica Fume
 Ảnh hưởng của silicafume
- Tăng lượng nước nhào trộn.
- Gỉam khả năng tách nước, phân tầng của hỗn hợp vữa và bt
- Tăng cường độ của vữa hoặc bê tông rất mạnh
- Giảm p.ư. ASR và tăng khả năng chống phản ứng hoá học 
môi trường axit.
 VLXD-Xi-măng và phụ gia cho xi-măng 8-50
Ảnh hưởng của PGK đến t/c hỗn hợp bêtông
Tính chất
TăngTăngTăngTăngKhả năng bơm
Không xác
định
Không xác
địnhTăngTăng
Thời gian đông kết
GiảmKhông xác
địnhGiảmGiảm
Nhiệt tỏa của Hydration
Không xác
địnhGiảm
Không xác
địnhGiảm
Lượng khí chứa
Không xác
địnhGiảm
Không xác
địnhGiảm
Khả năng tách nước, phân
tầng
TăngGiảmTăngTăngTính công tác
Không xác
địnhTăngGiảmGiảm
Lượng nước nhào trộn
Pozzolan 
TỰ NHIÊN
Silica 
fumeXỈ
TRO 
BAY
 VLXD-Xi-măng và phụ gia cho xi-măng 8-51
Tính chất
Không xác
định
Không xác
định
Không xác
định
Không xác
địnhCacbonat hoá
TăngTăngTăngTăngChống phản ứng hoá học
GiảmGiảmGiảmGiảmPhản ứng alkali ASR
Không xác
định
Không xác
định
Không xác
định
Không xác
địnhĐộ co khô
Không xác
định
Không xác
định
Không xác
định
Không xác
địnhChống mài mòn
Không xác
địnhTăng
Không xác
định
Không xác
địnhCường độ
Pozzolan 
TỰ NHIÊN
Silica 
fumeXỈTRO BAY
Ảnh hưởng của PGK đến t/c hỗn hợp bêtông
 VLXD-Xi-măng và phụ gia cho xi-măng 8-52
Mục tiêu chung giảm sử dụng clinker
14
 VLXD-Xi-măng và phụ gia cho xi-măng 8-53
1995-2009
Nguồn Holcim (2011)
 VLXD-Xi-măng và phụ gia cho xi-măng 8-54
Nguồn PG khoáng thay thế xi-măng