Luận văn Nghiên cứu chế tạo bờ tụng chịu nhiệt -Cách nhiệt sử dụng tro thải nhiệt điện - Lê Trọng

Nội dung text: Luận văn Nghiên cứu chế tạo bờ tụng chịu nhiệt -Cách nhiệt sử dụng tro thải nhiệt điện - Lê Trọng

1. BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC XÂY DỰNG LÊ TRỌNG Nghiên cứu chế tạo bờ tụng chịu nhiệt – cách nhiệt sử dụng tro thải nhiệt điện LUẬN VĂN THẠC SỸ KỸ THUẬT Hà Nội 2013
2. BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC XÂY DỰNG LÊ TRỌNG Nghiên cứu chế tạo bờ tụng chịu nhiệt – cách nhiệt sử dụng tro thải nhiệt điện Chuyên ngành: Kỹ thuật Vật liệu xây dựng Mó số : 60.52.03.09 LUẬN VĂN THẠC SỸ KỸ THUẬT CÁN BỘ HƯỚNG DẪN: PGS TS. VŨ MINH ĐỨC Hà Nội 2013
3. MỤC LỤC MỞ ĐẦU 1 I. Tính cấp thiết của đề tài: 1 II. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu 1 III. Mục tiêu và nội dung nghiên cứu của đề tài 1 III.1. Mục tiêu 1 III.2. Nội dung nghiên cứu 2 IV. Phương pháp nghiên cứu 2 V. Ý nghĩa của đề tài 2 CHƯƠNG I: TỔNG QUAN VỀ TÌNH HÌNH NGHIÊN CỨU VÀ SỬ DỤNG BÊ TÔNG CHỊU NHIỆT 3 I. Tình hình nghiên cứu bê tông chịu nhiệt 3 II. Tình hình sử dụng bê tông chịu nhiệt 6 II.1. Tình hình sử dụng bê tông chịu nhiệt trên thế giới 6 II. Tình hình sử dụng bê tông chịu nhiệt ở Việt Nam 8 CHƯƠNG II: CƠ SỞ KHOA HỌC NGHIÊN CỨU BÊ TÔNG CHỊU NHIỆT CÁCH NHIỆT 9 I. Chất kết dính chịu nhiệt sử dụng cho bê tông chịu nhiệt – cách nhiệt 9 I.1. Ảnh hưởng của nhiệt độ cao đến thành phần và cấu trúc đá xi măng 11 I.2. Cơ sở lý thuyết – thực nghiệm nghiên cứu chất kết dính chịu nhiệt 13 II Chất tạo rỗng cho bê tông chịu nhiệt – cách nhiệt 26 II.1 Nghiên cứu sự hình thành cấu trúc rỗng của vật liệu cách nhiệt 26 II.2 Các phương pháp tạo rỗng 29 CHƯƠNG III. PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU 32 I. Các phương pháp nghiên cứu chất kết dính chịu nhiệt 32 I.1 Xác định cường độ nén của chất kết dính chịu nhiệt 32 I.2 Xác định độ co thể tích của đá chất kết dính chịu nhiệt 33 II. Phương pháp nghiên cứu bê tông chịu nhiệt – cách nhiệt. 33 II.1. Phương pháp xác định độ chảy của hỗn hợp dùng chế tạo bê tông khí 33 II.2. Phương pháp tính toán thiết kế thành phần cấp phối BTCN-CN 34 II.3. Xác định cường độ nén. 34 II.4. Xác định độ co thể tích và khối lượng thể tích. 35 II.5. Xác định hệ số dẫn nhiệt. 35 II.6. Xác định độ bền nhiệt. 35 III Phương pháp tính toán xây dựng mô hình thực nghiệm 35 CHƯƠNG IV: KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU 38 I.Các kết quả nghiên cứu về nguyên vật liệu sử dụng 38 I.1. Các kết quả nghiên cứu về xi măng pooclăng PC và PCB 38 I.2. Các kết quả nghiên cứu về phụ gia sử dụng 40 II. Nghiên cứu chất kết dính chịu nhiệt 40
4. II.1. Nghiên cứu tính chất của chất kết dính chịu nhiệt ở nhiệt độ thường 40 II.2. Khảo sát ảnh hưởng của lượng dùng phụ gia đến cường độ nén của đá CKDCN ở các cấp nhiệt độ 44 II.3. Khảo sát ảnh hưởng của lượng dùng phụ gia đến khối lượng thể tích của đá CKDCN ở các cấp nhiệt độ 50 II.4. Khảo sát ảnh hưởng của lượng dùng phụ gia đến độ co của đá CKDCN ở các cấp nhiệt độ 52 II.5. Quy hoạch thực nghiệm cường độ chất kết dính chịu nhiệt 53 III. Nghiên cứu hỗn hợp bê tông và bê tông chịu nhiệt - cách nhiệt 56 III.1. Thiết kế cấp phối dùng cho BTCN-CN mác γo= 700 kg/m3 56 III.2. Nghiên cứu các tính chất của hỗn hợp bê tông chịu nhiệt - cách nhiệt 57 III.3 Nghiên cứu các tính chất của bê tông cách nhiệt chịu nhiệt 63 CHƯƠNG V: CÔNG NGHỆ CHẾ TẠO 80 I. Đặc điểm và sơ đồ dây chuyền công nghệ 80 II. Chuẩn bị và định lượng nguyên vật liệu 81 II.1. Chuẩn bị xi măng 82 II.2. Phụ gia khoáng 82 II.3. Chất tạo khí và chất hoạt hóa tạo khí 82 II.4. Nước 82 III. Chế tạo hỗn hợp bê tông khí 83 IV. Tạo hình và dưỡng hộ sản phẩm 83 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 84 I. Kết luận 84 II.Kiến nghị 86 TÀI LIỆU THAM KHẢO 87 PHỤ LỤC 88
5. DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CÁC CHỮ VIẾT TẮT - Bê tông chịu nhiệt - cách nhiệt - BTCN-CN - Bê tông chịu nhiệt - BTCN - Chất kết dính - CKD - Chất kết dính chịu nhiệt - CKDCN - Cường độ nén - Rn - Độ chảy loang - d - Độ co toàn phần - CTP - Độ dẫn nhiệt - λ - Độ rỗng - r - Khối lượng thể tích - KLTT – γo - Nước - N - PC40 Bút Sơn - PC40 BS - PCB30 Hoàng Thạch - PCB30 HT - Phụ gia khoáng nghiền mịn - PGKNM - Tro Phả Lại - Tr.P - Tỷ lệ xi măng và phụ gia - XM/PG - Tỷ lệ nước và chất rắn - N/R - Xi măng pooclăng - XMPL - Xi măng pooclăng hỗn hợp - PCB - 3CaO.SiO2 - C3S - 2CaO.SiO2 - C2S - 3CaO.Al2O3 - C3A - 4CaO.Al2O3.Fe2O3 - C4AF - 3CaO.2SiO2 - C3S2 - 5CaO.3Al2O3 - C5A3 - 3CaO.Al2O3.6H2O - C3AH6
6. DANH MỤC CÁC BẢNG Tên bảng Trang Bảng 1:Sự liên kết của oxit Canxi với phụ gia 22 Bảng 2: Hàm lượng CaO tự do (%) phụ thuộc vào nhiệt độ và lượng PG 24 Bảng 3: Các giá trị giới hạn độ rỗng của lỗ rỗng tổ ong và mật độ trung 28 bình của vật liệu với lỗ rỗng hình cầu không bị biến dạng Bảng 4:Thành phần hóa của xi măng 38 Bảng 5: Thành phần khoáng của xi măng 39 Bảng 6: Các chỉ tiêu cơ lý của xi măng PC40 Bút Sơn 39 Bảng 7: Các chỉ tiêu cơ lý của xi măng PCB30 Hoàng Thạch 39 Bảng 8: Thành phần hóa của phụ gia 40 Bảng 9: Một số tính chất cơ lý của phụ gia sử dụng 40 Bảng 10: Tính chất của hỗn hợp và đá CKDCN ở 25 OC 41 Bảng 11: Cường độ nén của đá CKDCN ở các cấp nhiệt độ 44 Bảng 12: Ảnh hưởng của lượng dùng phụ gia đến KLTT 50 Bảng 13: Ảnh hưởng của lượng dùng phụ gia đến độ co của đá CKDCN 52 Bảng 14: Bảng nhân tố quy hoạch thực nghiệm CKDCN 53 Bảng 15: Bảng mã hóa QHTN cường độ CKDCN dùng xm PC40 Bút Sơn 54 Bảng 16: Bảng ma trận QHTN cường độ CKDCN dùng xi măng PC40 BS 54 Bảng 17: Bảng mã hóa QHTN cường độ CKDCN dùng xm PCB30 Hoàng 55 Thạch Bảng 18: Bảng ma trận QHTN cường độ CKDCN dùng xm PCB30 Hoàng 55 Thạch Bảng 19: Bảng cấp phối BTCN-CN ở các cấp nhiệt độ 57 Bảng 20: Bảng Mã hóa QHTN cấp phối BTCN-CN ở 8000C, γ = 700 o 58 kg/m3 Bảng 21: Bảng Mã hóa QHTN cấp phối BTCN-CN ở 10000C, γ = 700 o 58 kg/m3 Bảng 22: Cấp phối BTCN-CN ở 8000C sử dụng xi măng PC40 Bút Sơn 59 với phụ gia tro nhiệt điện Phả Lại Bảng 23: Cấp phối BTCN-CN ở 8000C sử dụng xi măng PCB30 Hoàng 60 Thạch với phụ gia tro nhiệt điện Phả Lại Bảng 24: Cấp phối BTCN-CN ở 10000C sử dụng xi măng PC40 Bút Sơn 61 với phụ gia tro nhiệt điện Phả Lại Bảng 25: Cấp phối BTCN-CN ở 10000C sử dụng xi măng PCB30 Hoàng 62
7. Thạch với phụ gia tro nhiệt điện Phả Lại Bảng 26: Khối lượng thể tích và độ co của BTCN – CN dùng xm PC40 64 Bút Sơn ở 800oC Bảng 27: Khối lượng thể tích và độ co của BTCN – CN dùng xm PC40 65 Bút Sơn ở 1000oC Bảng 28: Khối lượng thể tích và độ co của BTCN – CN dùng xm PCB30 66 Hoàng Thạch ở 800oC Bảng 29: Khối lượng thể tích và độ co của BTCN – CN dùng xm PCB30 67 Hoàng Thạch ở 1000oC Bảng 30: Cường độ của BTCN – CN dùng xm PC40 Bút Sơn ở cấp phối 69 800oC Bảng 31: Cường độ của BTCN – CN dùng xm PC40 Bút Sơn ở cấp phối 70 1000oC Bảng 32: Cường độ của BTCN – CN dùng xm PCB30 HT ở cấp phối 71 800oC Bảng 33: Cường độ của BTCN – CN dùng xm PCB30 HT ở cấp phối 72 1000oC Bảng 34: Giá trị tối ưu cấp phối BTCN-CN ở các cấp nhiệt độ 78 Bảng 35: Tính chất của BTCN-CN ở các cấp nhiệt độ 78
8. DANH MỤC CÁC HÌNH Tên hình Trang Hình 1: Các sơ đồ kết khối 19 Hình 2: Sự thay đổi cường độ đá xi măng (Rn) khi đốt nóng phụ thuộc 25 loại PG (K.D. Nhecrasov) Hình 3: Đặc trưng sắp xếp chặt chẽ khối lỗ rỗng hình cầu một đường kính 26 Hình 4: Sự phân bố sắp xếp hệ thống lỗ rỗng có đường kính khác nhau 27 Hình 5: Cấu trúc tổ ong 29 Hình 6: Chế độ nung mẫu tới 1000OC 33 Hình 7: Mô hình toán 36 Hình 8: Biểu đồ lượng nước tiêu chuẩn của CKDCN 42 Hình 9: Biểu đồ thời gian bắt đầu và kết thúc ông kết của CKDCN ở nhiệt 42 độ thường Hình 10: Biểu đồ cường độ nén của CKDCN ở nhiệt độ thường 44 Hình 11: Đồ thị khối lượng thể tích của CKDCN ở nhiệt độ thường 44 Hình 12: Biểu đồ cường độ nén của đá CKDCN sử dụng xi măng PC40 47 Bút Sơn và tro Phả Lại ở các cấp nhiệt độ Hình 13: Biểu đồ cường độ nén của đá CKDCN sử dụng xi măng PCB30 47 Hoàng Thạch và tro Phả Lại ở các cấp nhiệt độ Hình 14: Đồ thị cường độ nén của đá CKDCN sử dụng xi măng PC40 Bút 48 Sơn và tro Phả Lại ở các cấp nhiệt độ Hình 15: Đồ thị cường độ nén của đá CKDCN sử dụng xi măng PCB30 49 Hoàng Thạch và tro Phả Lại ở các cấp nhiệt độ Hình 16: Biểu đồ KLTT của đá CKDCN sử dụng xi măng PC40 Bút Sơn và 51 tro Phả Lại ở các cấp nhiệt độ ( OC) Hình 17: Biểu đồ KLTT của đá CKDCN sử dụng xi măng PCB30 Hoàng 51 Thạch và tro Phả Lại ở các cấp nhiệt độ (OC) Hình 18: Biểu đồ độ co của đá CKDCN sử dụng xi măng PC40 Bút Sơn và 53 tro Phả Lại ở các cấp nhiệt độ ( OC) Hình 19: Biểu đồ độ co của đá CKDCN sử dụng xi măng PCB30 Hoàng 53 Thạch và tro Phả Lại ở các cấp nhiệt độ ( OC) Hình 20: Đồ thị các hàm cường độ CKDCN theo hàm lượng phụ gia của 54 XM PC40 Bút Sơn Hình 21: Đồ thị các hàm cường độ CKDCN theo hàm lượng phụ gia của 55 XM PCB30 Hoàng Thạch Hình 22: Đồ thị biểu diễn KLTT BTCN-CN sử dụng xm PC40 Bút Sơn 73
9. Hình 23: Đồ thị biểu diễn độ co BTCN-CN sử dụng xm PC40 Bút Sơn 74 Hình 24: Đồ thị biểu diễn Rn BTCN-CN sử dụng xm PC40 Bút Sơn 74 Hình 25: Đồ thị biểu diễn KLTT BTCN-CN sử dụng xm PCB30 Hoàng 75 Thạch Hình 26: Đồ thị biểu diễn độ co BTCN-CN sử dụng xm PCB30 Hoàng 76 Thạch Hình 27: Đồ thị biểu diễn cường độ BTCN-CN dùng xm PCB30 Hoàng 76 Thạch Hình 28: Sơ đồ dây chuyền công nghệ sản xuất BTCN-CN 81
10. MỞ ĐẦU I. Tính cấp thiết của đề tài: Trong thực tế sử dụng, nhiều công trình xây dựng, nhiều thiết bị nhiệt phải làm việc lâu dài ở nhiệt độ cao và thay đổi. Trong điều kiện làm việc này, vấn đề cách nhiệt giảm sự chênh lệch nhiệt độ, giảm thất thoát nhiệt là một vấn đề đóng vai trò vô cùng quan trọng. Để giải quyết vấn đề này người ta phải dùng các vật liệu cách nhiệt, nếu sử dụng các vật liệu quý hiếm như vermiculit, peclit, diatomit thì hiệu quả kinh tế không cao. Mặt khác nếu sử dụng vật liệu bê tông nhẹ thông thường thì ở nhiệt độ cao, môi trường làm việc khắc nghiệt như vậy chúng sẽ bị biến đổi các tính chất cơ lý và có thể bị phá hoại hoàn toàn. Nguyên nhân của sự phá hoại này là sự phân hủy thành phần đá xi măng trong bê tông nhẹ thông thường. Sự phân hủy đá xi măng này xảy ra do mất nước liên kết hóa học của các sản phẩm thủy hóa trong đó thành phần Ca(OH) 2 mất nước tạo nên CaO, sau đó CaO này lại hấp thụ hơi nước trong môi trường không khí, tiến hành thủy hóa lần hai. Để khắc phục sự phá hoại này, nâng cao tính chịu nhiệt cho bê tông, một biện pháp có hiệu quả là sử dụng các loại phụ gia khoáng nghiền mịn để cải thiện tính chịu nhiệt của XMPL. Chính vì vậy việc nghiên cứu ứng dụng bê tông cách nhiệt – chịu nhiệt (BTCN-CN) sử dụng nguyên vật liệu địa phương dùng cho các công trình có điều kiện làm việc khắc nghiệt như trên là vô cùng cấp thiết. II. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu - Đối tượng nghiên cứu là bê tông chịu nhiệt – cách nhiệt sử dụng nguyên liệu địa phương và phế thải công nghiệp gồm có: Xi măng PC40 Bút Sơn, xi măng PCB30 Hàng Thạch và tro thải nhiệt điện Phả Lại. - Phạm vi nghiên cứu: Nghiên cứu và chế tạo loại bê tông chịu nhiệt – cách nhiệt có khối lượng thể tích 700 – 800 kg/m3 làm việc ở 800OC đến 1000OC. III. Mục tiêu và nội dung nghiên cứu của đề tài: III.1. Mục tiêu Thực tế ở nước ta đã có những nghiên cứu và ứng dụng về BTCN-CN sử dụng phụ gia đơn là Samot, và phế thải gạch đỏ hay sử dụng phụ gia kép Samot và phế thải gạch đỏ, hiện nay chưa có các đề tài nghiên cứu sử dụng phụ gia tro nhiệt điện tại các nhà máy nhiệt điện ở Việt Nam để chế tạo BTCN-CN. Vì vậy đề tài này đặt ra mục tiêu quan trọng là: nghiên cứu chế tạo bê tông chịu nhiệt – cách nhiệt sử dụng nguyên liệu địa phương: xi măng pooclang PC40, PCB30 với phụ gia phế liệu phế thải công nghiệp ở đây là tro Phả Lại và ứng dụng loại bê tông này cho các công trình xây dựng dân dụng và công nghiệp. Với điểm mới của đề tài là: Chế tạo bê tông chịu nhiệt – cách nhiệt sử dụng xi măng pooclang và tro thải nhiệt điện. Đề tài đặt ra mục tiêu chế tạo được BTCN -CN với các tính chất như sau: - Khối lượng thể tích: 700 – 800 kg/m3. - Độ bền nhiệt: trên 10 chu kỳ sốc nhiệt. - Tính chất cơ lý: Đủ khả năng chịu lực làm các kết cấu bao che, cách nhiệt.
11. III.2. Nội dung nghiên cứu Đề tài trên tập trung nghiên cứu các nội dung khoa học sau: - Nghiên cứu các nguyên vật liệu địa phương sử dụng là: xi măng pooclang PC40, PCB30, và phụ gia tro Phả Lại. - Nghiên cứu thành phần, tính chất của chất kết dính chịu nhiệt dùng xi măng pooclang PC40 Bút Sơn, PBC30 Hoàng Thạch và phụ gia tro Phả Lại ở các cấp nhiệt độ. - Nghiên cứu tính toán thành phần bê tông chịu nhiệt – cách nhiệt dùng xi măng pooclang (PC và PCB) và phụ gia tro Phả Lại với các tính chất của nó. - Đề xuất sơ đồ công nghệ chế tạo bê tông chịu nhiệt – cách nhiệt dùng xi măng pooclang (PC và PCB) với các phụ gia. IV. Phương pháp nghiên cứu Trong quá trình nghiên cứu, đề tài đã tiến hành phân tích, tổng hợp tài liệu; đã sử dụng phương pháp tính toán lý thuyết kết hợp thực nghiệm; sử dụng các phương pháp tiêu chuẩn và phi tiêu chuẩn để nghiên cứu đánh giá nguyên liệu, nghiên cứu chất kết dính chịu nhiệt, nghiên cứu bê tông chịu nhiệt - cách nhiệt. Ngoài ra đề tài còn sử dụng phương pháp quy hoạch thực nghiệm để nghiên cứu thành phần chất kết dính chịu nhiệt, thành phần bê tông chịu nhiệt - cách nhiệt; nghiên cứu các tính chất ảnh hưởng đến chất kết dính chịu nhiệt và bê tông chịu nhiệt – cách nhiệt. V. Ý nghĩa của đề tài Bê tông cách nhiệt-chịu nhiệt đã được nghiên cứu và thực nghiệm sản xuất tại một số cơ sở sản xuất tại Việt Nam, tuy nhiên việc nghiên cứu và chế tạo còn nhiều hạn chế. Vì vậy việc nghiên cứu và ứng dụng bê tông chịu nhiệt-cách nhiệt sử dụng chất kết dính là XMPL nói chung và xi măng PC40, PCB30 nói riêng có ý nghĩa vô cùng to lớn về mặt khoa học kỹ thuật, kinh tế, cũng như về mặt xã hội. - Về mặt khoa học kỹ thuật: nó mở ra một hướng phát triển mới trong khoa học kỹ thuật về vật liệu chịu nhiệt-cách nhiệt dần dần thay thế các vật liệu cách nhiệt truyền thống như vemiculit, peclit, điatomit BTCN-CN có công nghệ sản xuất đơn giản hơn vật liệu cách nhiệt khác, không phải trải qua công đoạn sấy nung phức tạp, có thể chế tạo với block lớn với hình dạng bất kỳ giúp cho quá trình thi công các công trình nhanh chóng và đạt hiệu quả cao. - Về mặt kinh tế: vì nguyên liệu sử dụng là nguyên liệu địa phương: xi măng, các phụ gia và không phải trải qua giai đoạn sấy nung nên đã giảm chi phí cho quá trình sản xuất, tiết kiệm năng lượng, tiết kiệm tài nguyên thiên nhiên, tận dụng được nguồn nguyên liệu địa phương, giảm giá thành sản phẩm, nâng cao hiệu quả kinh tế. - Về mặt môi trường và xã hội: việc nghiên cứu và đưa BTCN -CN vào thực tiễn sản xuất đã tận dụng được nguồn phế thải tại địa phương, giải quyết vấn đề môi trường, tạo công ăn việc làm cho người lao động .
12. CHƯƠNG I: TỔNG QUAN VỀ TÌNH HÌNH NGHIÊN CỨU VÀ SỬ DỤNG BÊ TÔNG CHỊU NHIỆT I. Tình hình nghiên cứu bê tông chịu nhiệt Hiện nay với sự phát triển mạnh mẽ của các ngành công nghiệp: năng lượng, luyện kim, hóa dầu, hóa chất, bê tông được sử dụng nhiều trong các kết cấu xây dựng chịu tác động lâu dài của nhiệt độ cao và biến động. Do bị đốt nóng, bê tông thường bị giảm khả năng chịu lực, tăng độ võng của các kết cấu và công trình trong một số trường hợp còn xảy ra phá hủy hoàn toàn. Mặc dù đã có nhiều nghiên cứu về bê tông chịu tác đ ộng của nhiệt độ, nhưng còn chưa xét đầy đủ ảnh hưởng c ủa sự đốt nóng kéo dài và lặp lại đến các tính chất cơ lý của bê tông. Trên thế giới đã có nhiều nghiên cứu về bê tông chịu tác động của nhiệt độ, nhưng còn chưa xét đầy đủ ảnh hưởng của sự đốt nóng ké o dài và lặp lại đến các tính chất cơ lý của bê tông. Thực tế, ở Nga (Liên Xô cũ) việc nghiên cứu về bê tông và bê tông cốt thép chịu nhiệt đã được tiến hành từ năm 1942 ở Trung tâm nghiên cứu khoa học các trường đại học, Viện nghiên cứu các công trình côn g nghiệp và ở Viện nghiên cứu khoa học bê tông và bê tông cốt thép. Trên cơ sở nghiên cứu thực nghiệm các nhà khoa học Nga đã tiến hành khảo sát các loại bê tông chịu nhiệt (BTCN) khác nhau với nhiệt độ từ 200÷1800 0C rất sớm [2, 3, 5]. BTCN là loại vật liệu đá nhân tạo không nung có các tính chất cơ lý chủ yếu được bảo toàn dưới tác dụng lâu dài 250 0C trở lên. Bản thân nó vừa mang tính chất của bê tông vừa mang tính chất của vật liệu chịu lửa. Như vậy BTCN là sự kết hợp giữa hai loại vật liệu là bê tông và vật liệu chịu lửa. Khi sử dụng BTCN đã thể hiện được ưu điểm của hai loại vật liệu bê tông và vật liệu chịu lửa, đó là khả năng dễ chế tạo, có thể thi công toàn khối hoặc lắp ghép, đẩy mạnh tiến độ thi công xây dựng, tăng khả năng làm việc của công trình, có khả năng chịu nhiệt cao (có thể tới 18000C) lâu dài và thay đổi, sử dụng nguyên vật liệu địa phương và không phải qua khâu nung [2, 3, 5, 8, 10]. Thành phần của BTCN gồm chất kết dính chịu nhiệt và cốt liệu chịu nhiệt. BTCN (nặng và nhẹ) được phân ra nhiều loại theo các dấu hiệu khác nhau: - Theo khối lượng thể tích phân ra [13]: 3 + Bê tông nặng chịu nhiệt: γ0 ≥ 1800 kg/m 3 + Bê tông nhẹ chịu nhiệt: γ 0 < 1800 kg/m - Theo mức độ chịu lửa phân ra các loại [4]: + Bê tông chịu lửa cao, nhiệt độ sử dụng đến 1770 0C + Bê tông chịu nhiệt, nhiệt độ sử dụng đến 1200 0C + Bê tông chịu nhiệt- cách nhiệt và bê tông kết cấu nhẹ với nhiệt độ sử dụng 1100 ÷12000C (Theo GOST 4385-48 của Nga). - Theo loại chất kết dính sử dụng BTCN được chia ra [1, 2, 3, 5, 8, 10]: + Bê tông chịu nhiệt dùng xi măng alumin và cao alumin + Bê tông chịu nhiệt dùng XMPL hay XMPL xỉ. + Bê tông chịu nhiệt dùng xi măng Periclaz.
13. + Bê tông chịu nhiệt dùng chất kết dính xỉ . + Bê tông chịu nhiệt dùng thủy tinh lỏng - Theo điều kiện sử dụng phân ra các loại sau [2, 3, 5, 8, 10]: + Bê tông chịu nhiệt sử dụng trong điều kiện nhiệt độ cao chịu tải trọng lớn (lò luyện kim,lò khí hóa ) + Bê tông chịu nhiệt đồng thời chịu tác động của các môi trường ăn mòn, xâm thực, chịu tác động của hơi và khí, chịu tác động của ẩm và chất hóa học. Ngoài ra còn có cấu kiện bê tông nhẹ, bê tông khí chịu nhiệt, chúng có đặc điểm cách nhiệt và chịu nhiệt. Bê tông nhẹ chịu nhiệt – cách nhiệt còn được phân loại theo các dấu hiệu : - Theo công dụng phân ra [13]: + Bê tông nhẹ chịu lực – chịu nhiệt. + Bê tông nhẹ chịu nhiệt – cách nhiệt. - Theo cấu trúc bê tông phân ra hai loại [12, 13]: + Bê tông nhẹ chịu nhiệt dùng cốt liệu rỗng, ví dụ: bê tông Keramzit, bê tông aglôpôrit loại bê tông có cường độ cao có thể làm cấu kiện chịu lực trong các thiết bị nhiệt. + Bê tông tổ ong chịu nhiệt, loai bê tông chịu nhiệt này chủ yếu sử dụng với mục đích cách nhiệt cho các thiết bị nhiệt. Trong bê tô ng tổ ong gồm có hai loại được phân biệt qua phương pháp tạo rỗng là : Bê tông bọt chịu nhiệt cách nhiệt và bê tông khí chịu nhiệt cách nhiệt. Bê tông chịu nhiệt có thể sử dụng nhiều loại chất kết dính khác nhau, tùy thuộc vào yêu cầu mức độ chịu nhiệt. Khi sử dụng XMPL làm chất kết dính thì ở nhiệt độ cao bê tông sẽ bi phá hủy do các khoáng thủy hóa của đá xi măng không bền nhiệt. Năm 1952-1954 V.V.Contunov đã tiến hành nghiên cứu ở nhiệt độ cao đối với các khoáng riêng biệt của Clanke XMPL khi rắn chắc, ảnh hưởng của nhiệt độ đến sự thủy hóa của C 3S, C2S, C3A, C4AF. Cùng với V.V.Contunov còn có nhiều nhà nghiên cứu khác cũng tiến hành nghiên cứu tác động của nhiệt độ đến các tính chất của đá xi măng như : S.A.Myronov, L.A.Malynhina, N.A.Moanski, G.D.Salmanov, V.A.Kynd và S.D.Ocorokov, A.E.Xeikin Qua nghiên cứu ảnh hưởng của nhiết độ cao đến các tính chất của Klanker XMPL với các thành phần hóa học khác nhau, các tác giả đã cho thấy: Dưới tác dụng của nhiệt độ cao, độ bền của đá xi măng sau khi đốt nóng phụ thuộc vào thành phần khoáng của nó và bê tông thường không nên sử dụng lâu dài ở nhiệt độ lớn hơn 250 0C [2, 3, 5, 6, 7, 8, 9, 10]. Sự giảm cường độ và phá hoai bê tông khi tăng nhiệt độ do mất nước liên kết, phá hoại cấu trúc của bê tông, đồng thời d o sự thủy hóa lần hai của CaO (do phản ứng phân hủy Ca(OH)2 tạo ra CaO tự do) bằng hơi nước trong không khí. Nghiên cứu quá trình thủy hóa lần hai của CaO trong đá XMPL sau khi đốt nóng, G.M.Ruxuc đã kiến nghị đưa vào trong XMPL các phụ gia khác nhau. V.N.Moskvin, V.V.Contunov, C.D.Nhecraso năm 1957 cũng đã nghiên cứu tăng tính chất nhiệt của XMPL bằng cách sử dụng các PGKNM khác nhau. Khi đưa PGKNM vào xi măng pooclăng người ta được hỗn hợp CKDCN. Tùy thuộc vào
14. phụ gia có thể nhận được CKDCN với các tính chất khác nhau [2, 3, 5, 6, 7, 8, 9, 10]. Y.U.But đã nghiên cứu cát quắc và điatômit nghiền mịn để liên kết Ca(OH) 2 thủy hóa của đá xi măng khi giữ mẫu ở điều kiện tiêu chuẩn và sau khi chưng áp. Trong quá trình chưng áp, cát quắc và điatômit nghiền mịn liên kết với CaO tự do. TheoY.E.Gurvytr và M.C.Agaphonop phản ứng giữ SiO2 vô định hình và CaO ở trạng thái rắn xảy ra mạnh ở nhiệt độ 500 0C÷6000C; còn ở quắc tinh thể nó chỉ bắt 0 đầu ở 600 C. Theo P.P.Budnhicop, V.Ph.Zuravlev phản ứng pha rắn giữa SiO2 và CaO (khi tỉ lệ là 1:1) xảy ra qua hợp chất trung gian không bền 2CaO.SiO2 và 3CaO.SiO2 đến hợp chất cuối cùng là CaO.SiO2, tuy nhiên khi đốt nóng SiO2 có sự biến đổi thù hình không ổn định thể tích, nên không sử dụng nó với tính chất phụ gia cho XMPL với tính chất chịu nhiệt [2, 3, 5, 6, 7, 8, 9, 10]. V.V.Contunov và Z.M.Larionov nghiên cứu tác động của các khoáng xi măng chủ yếu với các phụ gia samôt mịn, hàm lượng 150% và 300% khối lượng XMPL cho thấy: lượng phụ gia đưa vào càng lớn thì khả năng liên kết v ới CaO tự do xảy ra càng hoàn toàn dẫn tới tăng độ bền của đá xi măng sau khi đốt nóng ở 12000C. Điều đó nói nên rằng không có CaO tự do trong đá xi măng sinh ra khi đốt nóng đá xi măng, chúng được liên kết hoàn toàn với SiO2 và Al2O3 của samôt mịn hình thành dạng khoáng mới là silicat và aluminat khan. Tuy nhiên khi tăng lượng phụ gia sẽ ảnh hưởng đến các tính chất khác của đá xi măng như tỉ lệ nước/CKDCN, cường độ nén Tuy vậy tỷ lệ xi măng với phụ gia khác nhau còn chưa được nghiên cứu cụ thể [2, 3, 5, 6, 7, 8, 9, 10]. Khi sử dụng xỉ lò cao làm phụ gia trong XMPL, các nghiên cứu thấy rằng: khi ở nhiệt độ cao từ 750 0C÷8000C, khả năng liên kết với CaO lớn hơn ở 600 0C và sự liên kết của xỉ nhỏ hơn của samôt. Để tăng các tính chất chịu lửa của XMPL, G.D.Salmanov đã sử dụng phụ gia mịn crômmit đưa vào sẽ liên kết với CaO của đá XMPL, tăng độ chịu lửa và nhiệt độ biến dạng dưới tải trọng 2kG/cm2 của bê tông. Ngoài bê tông nặng còn có bê tông nhẹ chịu nhiệt theo B.G.Skramtaep, cốt liệu tốt nhất sử dụng cho bê tông nhẹ chịu nhiệt là vật liệu xốp: xỉ, peclit, xỉ bọt, tup, keramzit, vermiculit. Các tác giả C.D.Nhecrasov, S.C.Lisienc nghiên cứu bê tông khí chịu nhiệt (bê tông chịu nhiệt-cách nhiệt ) dùng XMPL với các phụ gia khác nhau là: samôt, xỉ lò cao , tro xỉ, keramzit, trên cơ sở dùng phụ gia mịn để liên kết với CaO tự do. Năm 1966-1968 Trung tâm nghiên cứu khoa học và xây dựng (CHLB Nga- VNYYS) đã tiến hành nghiên cứu bê tông nhẹ chịu nhiệt dùng XMPL với phụ gia samốt nghiền mịn và cốt liệu là sỏi keramzit, dăm aglopoirit. Đặc biệt trong những năm gần đây đã có những công trình nghiên cứu về bê tông nhẹ chịu nhiệt dùng cốt liệu xốp nhân tạo và các loại phụ gia khác nhau. Hiện nay trung tâm nghiên cứu bê tông và bê tông cốt thép (của CHLB Nga- NYYZB) đã và đang nghiên cứu BTCN dùng chất kết dính photphat với các cốt liệu alumôsilicat khác nhau: mảnh vụn samốt, samốt và samốt cao lanh. Ngoài các loại chất kết dính trên người ta còn nghiên cứu loại chất kết dính từ thủy tinh lỏng và phụ gia có chứa silicat một canxi để chế tạo BTCN. Để nâng cao tính chịu lửa của chất kết dính (CKD) người ta sử dụng một số loại phụ gia mịn: samốt, vật liệu chịu lửa cao nhôm [2, 3, 5, 6, 7, 8, 9, 10].
15. Ở một số nước khác: Trung Quốc, Anh, CHLB Đức đều sử dụng xi măng alumin, cao alumin với lượng Al2O3 lớn để xây dựng các công trình chịu tác động của nhiệt độ cao. Ở Việt Nam việc nghiên cứu BTCN cũng đã bắt đầu được tiến hành: Năm 1977, bộ môn Công nghệ vật liệu xây dựng – Trường Đại học xây dựng và Viện kỹ thuật xây dựng Hà Nội đã tiến hành nghiên cứu thử nghiệm BTCN dùng XMPL với phụ gia mịn samốt. Năm 1988-1991, Bộ môn công nghệ vật liệu đã tiến hành nghiên cứu chế tạo BTCN sử dụng phụ gia xỉ nhiệt điện và hỗn hợp phụ gia samôt- xỉ nhiệt điện để chế tạo CKDCN; đã t iến hành nghiên cứu tính toán thành phần hạt cốt liệu dùng cho bê tông nhiệt. Năm 1993, Bộ môn công nghệ vật liệu xây dựng đã tiến hành nghiên cứu chế tạo bê tông khí chịu nhiệt (loại BTCN -CN) dùng XMPL với các phụ gia samốt, xỉ nhiệt điện. Năm 1996-1998, Bộ môn công nghệ vật liệu xây dựng đã tiến hành nghiên cứu chế tạo bê tông nhẹ chịu nhiệt XMPL với phụ gia keramzit, gạch vỡ và cốt liệu rỗng keramzit. Năm 2005-2006, Bộ môn Công nghệ vật liệu đã tiến hành nghiên cứu chế tạo vữa (bê tông hạt nhỏ) chịu nhiệt, chống cháy sử dụng cốt liệu samốt, gạch vỡ với chất kết dính XMPL PCB và đã thu được kết quả khả quan [2, 3, 5, 6, 7, 8, 9, 10]. Tóm lại, để tăng tính chịu nhiệt cho bê tông (bê tông nặng và bê tông nhẹ) cần sử dụng các loại CKDCN, các loại CKDCN này phần lớn đều sử dụng phụ gia nghiền mịn. Đối với XMPL, các phụ gia nghiền mịn khi ở nhiệt độ cao chúng sẽ tác dụng với thành phần khoáng thủy hóa của XMPL tạo nên những hợp chất mới nâng cao tính chịu nhiệt. Tuy nhiên tỷ lệ phụ gia và XMPL, sự hình thành các khoáng mới, đặc điểm công nghệ chế tạo và sử dụng chúng cần được tiến hành nghiên cứu đầy đủ. II. Tình hình sử dụng bê tông chịu nhiệt Bê tông chịu nhiệt được sử dụng ngày càng rộng rãi để xây dựng các công trình chịu tác động của nhiệt độ cao. Việc sử dụng bê tông thay thế cho các vật liệu chịu lửa có nhiều ưu điểm, mang lại hiệu quả kinh tế kỹ thuật cao, đó là cho phép xây dựng công trình theo phương pháp công nghiệp hóa, đổ toàn khối hoặc lắp ghép từ các cấu kiện kích thước lớn chế tạo sẵn ở các nhà máy bê tông, tăng khả năng làm việc của công trình nhờ giảm số mạch xây, không phải qua gia công nhiệt Các công trình BTCN có thể đổ toàn khối hay lắp ghép được sử dụng rộng rãi trong các ngành công nghiệp khác nhau. Luyện kim đen và màu, công nghiệp hóa chất, công nghiệp vật liệu xây dựng, công nghiệp năng lượng, chế biến dầu mỏ II.1. Tình hình sử dụng bê tông chịu nhiệt trên thế giới 1. Bê tông chịu nhiệt sử dụng trong các công trình luyện kim đen [2, 3, 5, 8, 10] a. Làm tháp đốt nóng không khí: b. Làm nền móng lò cao, ống khói và kênh dẫn: c. Làm buồng lắng xỉ và buồng tích nhiệt của lò Máctanh: 2. Bê tông chịu nhiệt dùng trong công nghiệp luyện nhôm Nhà máy luyện nhôm Cadalacski (Nga) đã tiến hành thực nghiệm thay thế các vòng kim loại của lò điện phân bằng BTCN lắp ghép từ XMPL với phụ gia, cốt
16. liệu samốt, cho phép giảm chi phí thép, giảm giá thành do tăng mức độ lắp ghép cực catot của lò điện phân. Ngoài ra ở nhà máy luyện nhôm Vongarad đã tiến hành nghiên cứu sử dụng BTCN làm đáy lò điện phân luyện nhôm [2, 3, 5, 8, 10]. 3. Bê tông chịu nhiệt dùng trong công nghiệp chế biến dầu mỏ a. Làm Thiết bị đốt nóng: Lò buồng dùng để đốt nóng ống, chế biến nguyên liệu dầu mỏ. Lần đầu tiên lò được xây dựng bằng BTCN ở các nhà máy chế biến dầu mỏ Angarse (CHLB Nga) với nhiệt độ làm việc là 7600C. Các kênh dẫn, tường, vòm, nền lò đều được làm từ BTCN dùng XMPL với phụ gia và cốt liệu là samốt, dùng xi măng alumin với cốt liệu samốt và dùng chất kết dính silicat natri với cốt liệu samốt [2, 3, 5, 8, 10]. b. Xây các lò bức xạ nhiệt: BTCN dùng XMPL với phụ gia và cốt liệu samốt đã và đang được sử dụng để xây các lò bức xạ nhiệt, đóng vai trò lớp lót và lớp chịu lực ở Noovoquybusav, Grozenski, Vongagrad và các nhà máy chế biến dầu mỏ khác ở Nga. Ngoài ra còn có một số nhà máy chế biến dầu mỏ đã được sử dụng các loại BTCN khác nhau để xây dựng lò ống chịu áp lực với nhiệt độ sử dụng từ 600 - 12000C. Ở phần trên của lò có nhiệt độ từ 600-12000C, được xây bằng BTCN dùng XMPL với cốt liệu agloporit và BTCN dùng XMPL với phụ gia và cốt liệu samốt, phần dưới lò có nhiệt độ 1000 0C được xây bằng BTCN dùng XMPL với phụ gia và cốt liệu samốt [2, 3, 5, 8, 10]. 4. Sử dụng trong chế tạo máy Năm 1959, phân xưởng rèn nhà máy Kirovski ở Xanh Peterbua (CHLB Nga) đã xây dựng lò gia công nhiệt các chi tiết. Lò được xây dựng từ các block BTCN sản xuất từ XMPL với phụ gia và cốt liệu samốt, có nhiệt độ làm việc đến 1200 0C. Việc sử dụng BTCN cho các lò có chế độ làm việc gián đoạn là rất hợp lý vì chúng làm việc không kém gì so với làm từ vật liệu chịu lửa đơn chiếc. Ở Tiệp Khắc, BTCN còn được sử dụng làm các khuôn đúc gang với nhiệt độ làm việc là 1230 0C trong thời gian 1 phút, sử dụng được 10 chu kỳ [2, 3, 5, 8, 10]. 5. Dùng trong công nghiệp năng lượng Từ năm 1958, ở Đức đã b ắt đầu nghiên cứu và sử dụng BTCN trong thiết bị nồi hơi của trạm lớn ở Trattendorph. Ba nồi hơi được lót bằng các tấm BTCN chế tạo từ XMPL với cốt liệu samốt, chịu được nhiệt độ từ 800 -10000C. Năm 1959, trạm phát điện Biolen (Đức) cũng đã sử dụng các block BTCN lót lớp bề mặt đốt nóng nồi hơi số 6. Các block BTCN dùng XMPL với cốt liệu samốt ở nhiệt độ làm việc 600 0C, thời gian sử dụng sau 17 tháng vẫn không có vết nứt. Việc sử dụng các block BTCN này rút ngắn được 25% thời gian xây dựng [2, 3, 5, 8, 10]. 6. Dùng trong công nghiệp vật liệu xây dựng [2, 3, 5, 8, 10] a. Làm lò tuynen nung gạch: b. Làm lò vòng nung gạch:
17. Ngoài ra BTCN còn được sử dụng trong công nghiệp hóa chất, trong các tháp tổng hợp axit H2SO4. BTCN được chế tạo từ silicat natri với chất ổn định là Na2SiF6 và cốt liệu crômmit. II.2. Tình hình sử dụng bê tông chịu nhiệt ở Việt Nam Ở Việt Nam việc sử dụng BTCN vẫn còn hạn chế do việc nghiên cứu chưa được đầy đủ và toàn diện. Ở một số nơi đã sử dụng BTCN như: nhà máy nhiệt điện Phả Lại đã sử dụng BTCN dùng xi măng alumin với cốt liệu samôt. Nhà máy kính Đáp Cầu sử dụng BTCN từ XMPL với phụ gia lò cao và cốt liệu samôt. Bộ môn Công nghệ VLXD Trường Đại học xây dựng và Viện Kỹ thuật xây dựng Hà Nội đã nghiên cứu BTCN dùng XMPL với phụ gia và cốt liệu samôt, xây kênh khí nóng lò tuynen nhà máy gạch Phúc Thịnh Hà Nội. Bộ môn Công nghệ vật liệu và nhà máy sứ Thanh Trì Hà Nội chế tạo BTCN làm lớp lát goòng nung sứ dùng XMPL với phụ gia samôt xỉ và hỗn hợp samốt-xỉ, cốt liệu samốt. Bộ môn Công nghệ vật liệu xây dựng – ĐHXD và nhà máy xi măng Hệ Dưỡng – Ninh Bình đã nghiên cứu chế tạo và sử dụng bê tông cốt thép chịu nhiệt dùng XMPL với phụ gia và cốt liệu samôt làm chóp lò đứng nung clanke xi măng làm việc ở nhiệt độ 1000 0C. Bộ môn Công nghệ vật liệu – ĐHXD và công ty sản xuất – kinh doanh VLXD thành phố Thái Bình đã chế tạo BTCN dùng XMPL xây các bộ ph ận của lò nung tuynen nung gạch: kênh dẫn khí nóng, ống rót nhiên liệu, lớp lót vagông nung; đã chế tạo BTCN-CN dùng làm lớp cách nhiệt cho vagông lò nung. Nhìn chung các vấn đề nghiên cứu và sử dụng BTCN, BTCN -CN từ các nguyên liệu trong nước tới các đặc điểm công nghệ sản xuất trong điều kiện của nước ta có ý nghĩa to lớn và cấp thiết.