Sản xuất xi măng đặc biệt tại Liên bang Nga

Hiện nay ngành Xây dựng nước Nga đang sử dụng một số lượng rất lớn các loại xi măng đặc biệt như: Xi măng đông cứng siêu nhanh, xi măng chịu nhiệt, xi măng chịu ăn mòn, xi măng giãn nở và xi măng aluminat để xây dựng nhà và công trình chịu tác động ăn mòn của môi trường hoặc trong khoan giếng khai thác dầu mỏ, khí đốt kể cả trong xây dựng các công trình tổ hợp sản xuất nhiệt cho nhiều ngành công nghiệp khác nhau. Xi măng đặc biệt còn được sử dụng để thi công mái nhà không thấm nước hoặc lớp phủ chống các loại bức xạ hoặc để xây dựng những công trình tại các vùng sâu vùng xa với các điều kiện khí hậu khác nhau.

Xi măng giãn nở được sản xuất trên cơ sở nghiền xi măng pooclăng với phụ gia và thạch cao. Các sản phẩm công nghiệp chứa aluminat canxi, clinke sunphát hoá được sử dụng làm phụ gia giãn nở.

Việc sử dụng các loại clinke nêu trên cho phép nhận được xi măng có chất lượng đồng nhất hơn với các tính chất ổn định bởi vì công nghệ sản xuất chúng cho phép điều chỉnh ở mức độ cao nhất đối với thành phần pha và cấu trúc vi mô của clinke đặc biệt, độ phân tán của xi măng giãn nở.

Clinke giãn nở được chia ra 3 loại: Sunphopherit, sunphoalumopherit và sunphoaluminat. Với cả 3 loại clinke nêu trên thì pha C2S có ý nghĩa đứng hàng thứ hai. Tương quan tỷ lệ giữa các pha này có vai trò rất quyết định đối với tính chất của xi măng nhận được. Các tạp chất khác chứa trong nguyên liệu cũng ảnh hưởng đến thành phần pha và các tính chất của clinke.

Trên tất cả các giai đoạn đóng rắn của xi măng, sự giãn nở của xi măng được sản xuất trên cơ sở các clinke nêu trên không chỉ được tạo nên bởi số lượng ettringite hình thành mà còn phụ thuộc vào độ bền vững của các cấu trúc được hình thành. Đá xi măng có cấu trúc đặc khít và các không gian rỗng đã được lấp đầy bằng ettringite, hiđroxit sắt, hiđroxit nhôm, pha tạo gen của silicat canxi ngậm nước. Mức thuỷ hoá cao và độ đặc chắc cao của đá xi măng làm tăng cường độ của xi măng.

Để xi măng đạt cường độ cao và tự tạo ra ứng suất cần sự hình thành của cấu trúc bền vững trong suốt thời gian đóng rắn, do đó cần sử dụng loại xi măng cường độ cao đóng rắn nhanh. Một khi sự cân bằng lực tạo ra sự giãn nở và sự bền vững của cấu trúc trong xi măng đang đóng rắn, bị phá vỡ, xi măng hoặc sẽ đạt được cường độ cao mà không giãn nở rõ ràng hoặc bị phá huỷ dưới tác dụng của các ứng suất lớn nảy sinh từ sự hình thành của các ettringite. Trong trường hợp này việc hạn chế sự giãn nở tự do của mẫu thử bằng cốt thép một chiều hoặc hai chiều sẽ ngăn ngừa được các quá trình phá huỷ.

Có thể duy trì được những điều kiện nêu trên bằng độ phân tán hợp lý của xi măng pooclăng cũng như của thành phần sunphát hoá trong xi măng compozit. Thành phần sunphát hoá cũng ảnh hưởng mạnh lên các tính chất của xi măng giãn nở. Việc sử dụng clinke sunphoaluminat cho phép nhận được xi măng giãn nở đông cứng nhanh và đóng rắn nhanh. Loại xi măng này không thể thiếu trong thi công đường quốc lộ và đường hầm nơi rất cần ngăn ngừa sự thấm lọc của chất lỏng dưới áp lực. Việc tạo ra loại bê tông không thấm nước trong những điều kiện nêu trên cần sử dụng loại xi măng có thời gian đông cứng ngắn như thời điểm bắt đầu đông cứng không chậm hơn 5 – 6 phút và thời điểm kết thúc đông cứng không chậm hơn 15 – 20 phút.

Xi măng giãn nở chứa sunpho sắt có thời gian đông cứng tương tự như xi măng pooclăng (bắt đầu đông cứng sau 2 – 3 giờ, kết thúc đông cứng – 4 – 5 giờ). Động học của sự hình thành ettringite chứa sắt trong thuỷ hoá clinke sunphopherit và clinke sunphoalumopherit bảo đảm sự lèn chặt đáng kể của hệ thống đang đóng rắn qua đó giúp bê tông đạt được cường độ cao nhất.

Xi măng chống ăn mòn có vai trò quan trọng bởi việc bảo vệ kết cấu chống lại sự ăn mòn là một vấn đề rất quan trọng. Hiện nay đã xác định được thành phần và đề xuất công nghệ sản xuất xi măng bền sunphát và xi măng siêu bền sunphát. Việc nghiên cứu nhằm nâng cao độ bền vững của kết cấu bê tông cốt thép chịu tác dụng của môi trường ăn mòn đang được tiếp tục thành công.

Về phương diện đó xi măng chứa sunpho sắt đang có nhiều triển vọng. Loại xi măng này có thời gian đông cứng phù hợp, bảo đảm để vữa xi măng và bê tông đạt được các tính chất lưu biến tốt, sức chịu ăn mòn cao. Do vậy các loại xi măng này được sử dụng trong xây dựng các công trình có thời gian bền vững lâu dài như đê, đập, kênh dẫn, giếng khoan khí đốt và dầu mỏ.

Đặc biệt phải kể đến xi măng aluminat. Ở Nga loại xi măng này được sản xuất dưới dạng xi măng nhôm ôxit. Công nghệ sản xuất chất kết dính đặc biệt tinh khiết có hàm lượng nhôm ôxit cao cũng đã được nghiên cứu kể cả việc sản xuất xi măng alumo chịu nhiệt. Khi hàm lượng Al2O3 đạt đến 50% – xi măng được gọi là xi măng nhôm ôxit, còn khi hàm lượng Al2O3 cao hơn 50% – được gọi là xi măng có hàm lượng nhôm ôxit cao (lưu ý giới hạn này chỉ có tính tương đối).

Trên cơ sở xi măng nhôm ôxit và với cốt liệu chịu lửa tương thích (cốt liệu sa mốt) có thể sản xuất được bê tông bền nhiệt chịu được nhiệt độ lên đến 1.300 – 1.400oC mà không phải cho thêm phụ gia nghiền mịn. Trong khi đó không nên sử dụng loại bê tông này trên nhiệt độ chỉ đạt 600oC – 700oC bởi trên nhiệt độ này cường độ của bê tông thấp. Ngoài ra nên lưu ý khi sản xuất cấu kiện bằng loại chất kết dính này cần phải kiểm soát chặt chẽ nhiệt độ của vữa bê tông trong quá trình đóng rắn. Nếu nhiệt độ cao hơn 40oC bê tông sẽ bị mất cường độ do xảy ra quá trình kết tinh lại của hiđroaluminat can xi.

Để nâng cao khả năng chịu lửa của chất kết dính nhôm ôxit có thể cho thêm vào thành phần của nó vật liệu phân tán nghiền mịn (độ nghiền mịn không thấp hơn xi măng) có khả năng chịu lửa không thấp hơn nhiệt độ cao nhất sử dụng bê tông hoặc cho thêm vật liệu mà khi được nung nóng do xảy ra phản ứng trong pha rắn với chất kết dính sẽ tạo ra các hợp chất có khả năng chịu lửa cao mà không cần cho thêm cùng tinh dễ nóng chảy. Ví dụ, ôxit magiê liên kết xi măng bằng ôxit silic thành fosterit (Mg2SiO4) và spinen, đất sét chịu lửa. Chất kết dính này có thể được làm xốp bằng cách cho thêm loại vật liệu bị cháy hoàn toàn trên nhiệt độ cao.

Chất kết dính trên cơ sở thuỷ tinh lỏng có khả năng dính bám tốt, tuy nhiên để đóng rắn, giảm độ sụt trong điều kiện nung nóng, nâng cao tính chịu lửa và khối lượng riêng cần cho thêm các phụ gia đặc biệt. Đối với sự đóng rắn của thuỷ tinh lỏng đã được cho thêm phụ gia đóng rắn, trong chất kết dính cần phải xảy ra các quá trình tương tác hoá học với việc sinh ra Si(OH)4 và tạo keo với việc hình thành các hợp chất silicat kiềm môđun lớn. Trong 3 ngày đêm bảo dưỡng khô ngoài không khí loại chất kết dính này đạt được gần như 100% cường độ.

Những loại phụ gia đóng rắn sau đây thoả mãn được những yêu cầu nêu trên: Silic florua natri, các dạng bê ta và gam ma của monosilicat và đisilicat can xi, silicat magiê. Các hợp chất hoá học này có chứa trong các loại vật liệu như bùn xỉ trắng, xỉ luyện kim tự tơi. Tuỳ theo loại phụ gia nghiền mịn độ chịu lửa của chất kết dính dao động trong khoảng từ 1300oC đến 1700oC.

Để nâng cao khả năng chịu nhiệt của bê tông chịu nhiệt sản xuất trên cơ sở thuỷ tinh lỏng cần sử dụng tương ứng loại cốt liệu chịu nóng như cođierit và cacborunđum.

Chất kết dính tổng hợp chịu nóng (silicat kiềm) được sản xuất bằng cách nghiền vật liệu chịu lửa (như samôt) với silicat dạng đá khối. Trong quá trình xử lý nhiệt đối với cấu kiện sản xuất từ bê tông được sản xuất trên cơ sở loại chất kết dính này, đá khối silicat bị hoà tan và chất kết dính thuỷ tinh lỏng sẽ khô đi làm kết dính cốt liệu chịu lửa. Cấu trúc bê tông được hình thành có đặc trưng là tính chịu nhiệt cao trong khi đó chỉ cần sử dụng một lượng ít nhất chất kết dính.

Hiện nay, hướng chủ yếu hoàn thiện các tính chất của xi măng aluminat là hợp lý hoá các chỉ tiêu công nghệ như: Thành phần pha của clinke, nhiệt độ và thời gian nung, cấp độ nghiền và tính đồng nhất của hỗn hợp nguyên liệu, nghiền mịn xi măng để tạo ra kích thước hạt hợp lý.

Việc tạo ra thành phần tổng hợp là một hướng phát triển mới của xi măng nhôm ôxit. Trước đây người ta cho rằng không được cho thêm các loại vật liệu khác vào xi măng nhôm ôxit. Hiện nay, đang nghiên cứu khả năng cho thêm các chất như cacbonat can xi, vi lượng silic ôxit và nhiều chất khác có khả năng làm giảm hiệu ứng chuyển hoá của các hợp chất thuỷ hoá trong quá trình đóng rắn lâu dài của đá xi măng, kéo dài thời gian bền vững của đá xi măng. Xi măng nhôm ôxit có thể được sử dụng để thi công các kết cấu làm việc trong môi trường axit (PH trong khoảng 3 – 4). Khả năng chịu ăn mòn cao, tính bền nhiệt của loại xi măng này khiến nó được sử dụng trong xây dựng công trình nằm trong nước biển, bọc ống dẫn nước thải, chôn lấp chất thải phóng xạ hoặc xây dựng tổ máy sản xuất nhiệt.

Việc sử dụng xi măng đông cứng siêu nhanh cho phép tháo dỡ ván khuôn cho cấu kiện và kết cấu chỉ sau 2 – 3giờ đông cứng hoặc cường độ bê tông đạt đến 60% – 70% chỉ sau một ngày đêm. Tuy nhiên, do thiếu nguyên liệu chứa nhôm ôxit chất lượng cao và một số khó khăn về công nghệ ở Nga loại xi măng này mới chỉ được sản xuất thử trên quy mô công nghiệp. Do nhu cầu về xi măng đông cứng siêu nhanh rất lớn nên đã đề xuất hướng nghiên cứu sản xuất loại xi măng này trên cơ sở sản xuất chất kết tinh “krent” và clinke sunphoaluminat từ chất thải của các ngành công nghiệp để làm phụ gia cho vào xi măng pooclăng giúp cho nó có được những tính chất mong muốn.

Hiện nay đã xuất hiện một lĩnh vực tiêu thụ xi măng đông cứng nhanh và xi măng giãn nở trên quy mô lớn, đó là lĩnh vực sản xuất vữa khô xây dựng. Các loại phụ gia bảo đảm sự không co ngót của vữa hoặc bảo đảm sự giãn nở của hệ thống đang đông cứng là những yếu tố vừa có tính hiện đại vừa có tính công nghệ cao trong thành phần của hỗn hợp. Loại phụ gia nêu trên là clinke nghiền mịn được sunphát hoá kết hợp với thạch cao.

Như vậy, những chất lượng kỹ thuật cao của xi măng được sản xuất trên cơ sở clinke sunphát hoá cho phép giải quyết được những vấn đề kỹ thuật quan trọng nảy sinh trong xây dựng các loại công trình khác nhau. Các loại xi măng đó nhanh đạt cường độ cần thiết, độ lèn chặt của vữa và bê tông đều cao, có khả năng bảo vệ chống ăn mòn trong môi trường ăn mòn.

Nguồn ĐHXD