Nghiên cứu phạm vi sử dụng của một số loại xi măng phổ biến trong các công trình xây dựng trên địa bàn các tỉnh đồng bằng sông cửu long

Kết quả nghiên cứu cho thấy, ở 180 ngày tuổi, cường độ nén, uốn của vữa, cường độ nén của bê tông, độ bám đính giữa bê tông và cốt thép của các mẫu chế tạo từ các loại xi măng nghiên cứu

ĐẠI HỌC QUỐC GIA THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA

-o0o -

NGUYỄN LÊ THI

Đề tài NGHIÊN CỨU PHẠM VI SỬ DỤNG CỦA MỘT SỐ LOẠI XI

MĂNG PHỔ BIẾN TRONG CÁC CÔNG TRÌNH XÂY DỰNG

TRÊN ĐỊA BÀN CÁC TỈNH ĐỒNG BẰNG SÔNG CỬU LONG

Chuyên ngành : Vật liệu & Cấu kiện xây dựng - K 13 Mã số ngành : 2.15.06

LUẬN VĂN THẠC SĨ

TP Hồ Chí Minh, tháng 10/2004

CÔNG TRÌNH ĐƯỢC HOÀN THÀNH TẠI TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP HỒ CHÍ MINH

Cán bộ hướng dẫn khoa học : GS – TSKH Võ Đình Lương

Cán bộ chấm nhận xét 1 :

Cán bộ chấm nhận xét 2 :

Luận văn thạc sĩ được bảo vệ tại

HỘI ĐỒNG CHẤM BẢO VỆ LUẬN VĂN THẠC SĨ

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA, ngày tháng năm 2004

1

Đại Học Quốc Gia Tp Hồ Chí Minh

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA

CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM

Độc Lập – Tự Do – Hạnh Phúc

NHIỆM VỤ LUẬN VĂN THẠC SĨ

Họ và tên học viên : NGUYỄN LÊ THI Phái : Nam

Ngày, tháng, năm sinh : 26/10/1966 Nơi sinh : Quảng Trị Chuyên ngành : VẬT LIỆU VÀ CẤU KIỆN XÂY DỰNG Mã số : 2.15.06

I- TÊN ĐỀ TÀI: NGHIÊN CỨU PHẠM VI SỬ DỤNG CỦA MỘT SỐ LOẠI XI

MĂNG PHỔ BIẾN TRONG CÁC CÔNG TRÌNH XÂY DỰNG TRÊN ĐỊA BÀN CÁC TỈNH ĐỒNG BẰNG SÔNG CỬU LONG

II- NHIỆM VỤ VÀ NỘI DUNG:

1 Biện luận về đề tài

2 Tổng quan tình hình nghiên cứu trong nước và trên thế giới

3 Cơ sở lý thuyết, lựa chọn đối tượng và phương pháp nghiên cứu

4 Thực nghiệm, đánh giá và bàn luận về kết quả nghiên cứu

5 Kết luận và kiến nghị

III- NGÀY GIAO NHIỆM VỤ : 09/02/2004

IV- NGÀY HOÀN THÀNH NHIỆM VỤ : 28/10/2004

V- HỌ VÀ TÊN CÁN BỘ HƯỚNG DẪN : GS-TSKH VÕ ĐÌNH LƯƠNG

CÁN BỘ HƯỚNG DẪN CHỦ NHIỆM NGÀNH BỘ MÔN QUẢN LÝ NGÀNH

GS.TSKH Võ Đình Lương PGS.TS Phan Xuân Hoàng TS Nguyễn Văn ChánhNội dung và đề cương luận văn thạc sĩ đã được Hội Đồng Chuyên ngành thông qua

Ngày tháng năm 2004

2

LỜI CẢM ƠN

Luận văn này hoàn thành là nhờ vào sự giúp đỡ, động viên của quý Thầy Cô, của gia đình, cơ quan và bạn bè đồng nghiệp

Xin gửi lời biết ơn sâu sắc đến GS-TSKH Võ Đình Lương, người đã

tận tình định hướng, hướng dẫn, góp ý và giúp đỡ trong suốt quá trình thực hiện đề tài;

Xin chân thành cảm ơn các Thầy Cô giáo đã tham gia góp ý, phản biện cho đề tài, đã trực tiếp giảng dạy, cung cấp và truyền đạt kiến thức, kinh nghiệm nghiên cứu trong gần 3 năm theo học cao học tại

Trường Đại học Bách khoa TP Hồ Chí Minh;

Xin gửi lời cảm ơn đến Ban giám đốc, các đồng nghiệp tại Phòng thử nghiệm Xây dựng, Bộ phận Kiểm định Xây dựng & An toàn công nghiệp - Trung tâm Kỹ thuật 3, các Anh, Chị thuộc Đoàn Địa chất Thuỷ văn – Địa chất Công trình 806; Phòng nghiên cứu bê tông – Viện Khoa học Công nghệ Xây dựng; Phòng Thạch học – Viện Dầu khí Việt nam; Phân viện Mỏ và Luyện kim TP Hồ Chí Minh; Phòng Thí nghiệm – Công ty Liên doanh Xi măng Holcim Vietnam Ltd, Công ty Xi măng Hà Tiên 2 và những người bạn đã trực tiếp hoặc

gián tiếp giúp đỡ, tạo điều kiện thuận lợi cho tôi hoàn thành luận văn này

3

TÓM TẮT LUẬN VĂN

Trên cơ sở nghiên cứu các tính chất của các loại xi măng được sử dụng phổ biến trong công trình xây dựng trên địa bàn các tỉnh đồng bằng sông Cửu Long, đề tài đã đưa ra được hàm lượng sử dụng hợp lý và phạm vi sử dụng của các loại xi măng này

Dựa trên 3 loại mẫu là bê tông & bê tông cốt thép, vữa xây dựng và đá xi măng; bằng các phương pháp nghiên cứu thực nghiệm khác nhau, đề tài đã đánh giá sự thay đổi một số tính chất cơ lý chủ yếu như cường độ nén, cường độ uốn, lực bám dính giữa bê tông – cốt thép, sự thay đổi chiều dài của mẫu khi ngâm trong nước lấy từ các địa phương cần nghiên cứu và mẫu đối chứng ngâm trong nước sinh hoạt Đề tài cũng áp dụng các phương pháp phân tích hiện đại như nhiễu xạ Rơn-ghen, nhiệt vi sai, quang phổ hồng ngoại và kính hiển vi điện tử quét để nghiên cứu bản chất các thay đổi trong thành phần khoáng, cấu trúc của đá xi măng đã hydrat hóa

Kết hợp với quy hoạch thực nghiệm, đề tài đã áp dụng phương pháp đánh giá tổng hợp dựa trên phương pháp luận nêu trong Atlas công nghệ của “Dự án phát triển dựa trên công nghệ của khu vực Châu Á & Thái Bình Dương”, 1989, UN/ESCAP để đánh giá, phân loại một cách định lượng chất lượng các loại xi măng

Kết quả nghiên cứu cho thấy, ở 180 ngày tuổi, cường độ nén, uốn của vữa, cường độ nén của bê tông, độ bám đính giữa bê tông và cốt thép của các mẫu chế tạo từ các loại xi măng nghiên cứu chỉ phụ thuộc chủ yếu vào lượng xi măng, tuổi thử nghiệm mà hầu như ít phụ thuộc vào điều kiện môi trường bảo dưỡng là nước ngầm hay nước biển Tuy nhiên, nghiên cứu trên mẫu đá xi măng trong điều kiện thuỷ nhiệt lại cho thấy có sự suy giảm khá nhiều về cường độ nén của các mẫu bảo dưỡng trong các môi trường khác nhau so với mẫu đối chứng Điều này cho thấy, quá trình ăn mòn của xi măng và vật liệu sản xuất từ xi măng là một quá trình kéo dài nhiều năm và rất phức tạp, cần có nghiên cứu đầy đủ hơn

Do thời gian nghiên cứu không dài, luận văn chưa thể đánh giá hết các yếu tố ảnh hưởng nên chắc chắn không tránh khỏi một số thiếu sót nhất định, cần phải hoàn chỉnh, bổ sung trong các nghiên cứu tiếp theo

4

MỤC LỤC

NHIỆM VỤ LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP 2

LỜI CẢM ƠN 3

TÓM TẮT LUẬN VĂN 4

MỤC LỤC 5

CHƯƠNG 1: MỞ ĐẦU 8

CHƯƠNG 2: TỔNG QUAN 10

2.1 ĐẶC ĐIỂM MÔI TRƯỜNG BIỂN VÀ VEN BIỂN VIỆT NAM 10

2.1.1 Vùng hoàn toàn ngập nước 10

2.1.2 Vùng nước lên xuống 11

2.1.3 Vùng khí quyển trên biển và ven biển 12

2.2 CƠ CHẾ ĂN MÒN CỦA MÔI TRƯỜNG NƯỚC ĐỒNG BẰNG SÔNG CỬU LONG 12

2.2.1 Hình thức, cơ chế ăn mòn của xi măng và các sản phẩm từ xi măng 12

2.2.2 Sự ăn mòn bê tông 20

2.2.3 Sự ăn mòn cốt thép 26

2.2.4 Môi trường ăn mòn ở đồng bằng Sông Cửu Long 29

2.3 TÁC HẠI DO ĂN MÒN VÀ SỬ DỤNG XI MĂNG KHÔNG HỢP LÝ 30

2.4 TÌNH HÌNH THỰC TẾ TRƯỚC KHI THỰC HIỆN ĐỀ TÀI 32

2.4.1 Trong nước 32

2.4.2 Nước ngoài 34

2.5 LÝ DO LỰA CHỌN & NHỮNG VẤN ĐỀ CẦN GIẢI QUYẾT CỦA ĐỀ TÀI 35

CHƯƠNG 3: PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU .37

3.1 CÁC PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU 37

3.1.1 Phương pháp nhiễu xạ Rơn-ghen (X-ray) 38

3.1.2 Phương pháp phân tích nhiệt (DTA & DTG) 44

3.1.3 Phương pháp quang phổ hồng ngoại (IR) 49

5

3.1.4 Xác định độ pH 50

3.1.5 Phương pháp kính hiển vi điện tử quét (SEM) 50

3.1.6 Thử nghiệm phân tích thành phần hóa 51

3.1.7 Thử nghiệm các tính chất cơ lý 52

3.1.8 Lý thuyết về quy hoạch thực nghiệm 52

3.1.9 Phương pháp đánh giá tổng hợp 58

3.2 PHƯƠNG PHÁP THỰC NGHIỆM 59

3.2.1 Chọn loại xi măng điển hình 59

3.2.2 Chọn địa phương điển hình 59

3.2.3 Chọn thời điểm nghiên cứu 59

3.2.4 Các phương pháp thực nghiệm 60

CHƯƠNG 4: THỰC NGHIỆM NGHIÊN CỨU 62

4.1 NGUYÊN VẬT LIỆU 62

4.1.1 Xi măng 62

4.1.2 Cát 67

4.1.3 Đá dăm 69

4.1.4 Thép 71

4.1.5 Nước bảo dưỡng 72

4.1.6 Nhận xét chung 74

4.2 MẪU BÊ TÔNG & BÊ TÔNG CỐT THÉP 74

4.2.1 Mẫu bê tông 74

4.2.2 Mẫu bê tông cốt thép 79

4.2.3 Mức độ xâm nhập của ion Cl- và SO42- 82

4.3 MẪU VỮA 85

4.3.1 Cường độ nén 85

4.3.2 Cường độ uốn 89

4.3.3 Độ giãn nở khi ngâm trong môi trường 92

4.4 MẪU ĐÁ XI MĂNG 97

4.4.1 Cường độ nén và chiều sâu cacbonat hóa 97

4.4.2 Độ pH 101

4.4.3 Phân tích cấu trúc bằng nhiễu xạ Rơn-ghen 102

4.4.4 Phân tích nhiệt vi sai 120

6

4.4.5 Phân tích quang phổ hồng ngoại 130

4.4.6 Phân tích kính hiển vi điện tử quét 135

4.4.7 Đánh giá định lượng chất lượng của xi măng 142

CHƯƠNG 5: KẾT LUẬN 145

5.1 ĐÁNH GIÁ CHUNG 145

5.1.1 Hàm lượng hợp lý 145

5.1.2 Phạm vi sử dụng 146

5.1.3 Chất lượng tổng hợp 146

5.2 KIẾN NGHỊ NHỮNG NGHIÊN CỨU TIẾP THEO 147

TÀI LIỆU THAM KHẢO 148

LÝ LỊCH TRÍCH NGANG 151

CÔNG TRÌNH ĐÃ CÔNG BỐ CỦA TÁC GIẢ 153

PHỤ LỤC: KẾT QUẢ THÍ NGHIỆM .154

1 BÊ TÔNG 154

1.1 Cường độ nén & chiều sâu cacbonat hóa 154

1.2 Độ bám dính giữa bê tông với cốt thép & chiều sâu cacbonat hóa 160

1.3 Hàm lượng ion Cl- và SO42- 166

2 VỮA XÂY 167

2.1 Cường độ uốn, nén & chiều sâu cacbonat hóa: 167

2.2 Độ giãn nở khi ngâm trong môi trường 177

3 ĐÁ XI MĂNG 186

3.1 Cường độ nén & chiều sâu cacbonat hóa: 186

3.2 Xác định độ pH 191

3.3 Phân tích Rơn-Ghen 193

3.4 Phân tích nhiệt vi sai 194

3.5 Phân tích quang phổ hồng ngoại 195

3.6 Phân tích kính hiển vi điện tử 196

7

Chương

1

MỞ ĐẦU

CHƯƠNG 1

MỞ ĐẦU

Vấn đề ăn mòn và chống ăn mòn cho xi măng và các sản phẩm từ xi măng là

một vấn đề bức xúc, đã và đang được các nhà khoa học ở Việt nam và cả trên

thế giới quan tâm Ở nước ta, tình trạng ăn mòn và hư hỏng các công trình bê

tông và bê tông cốt thép là nghiêm trọng và đã tới mức báo động Tốc độ ăn mòn

làm hư hỏng công trình diễn ra khá nhanh Bên cạnh một số công trình có tuổi thọ

trên 30 – 40 năm, có nhiều công trình ven biển đã bị ăn mòn và hư hỏng nặng sau

20 – 25 năm sử dụng, thậm chí cá biệt một vài kết cấu bị phá hủy rất nặng nề chỉ

sau 10 – 15 năm Chương 2 của luận văn này đã nêu rõ các cơ sở lý thuyết, đánh

giá tổng quan các vấn đề liên quan đến ăn mòn và chống ăn mòn

Ngày nay và trong nhiều năm nữa, bê tông và bê tông cốt thép vẫn là vật liệu

chủ yếu trong các công trình, kiến trúc xây dựng Như chúng ta đều biết, khả

năng chống ăn mòn của bê tông, vữa không những phụ thuộc vào chủng loại và

hàm lượng của xi măng mà còn phụ thuộc nhiều vào môi trường ăn mòn, loại cốt

liệu được sử dụng, tỉ lệ nước trên xi măng, mức độ đầm chặt, độ đặc chắc của bê

tông, vữa…

Hiện tại, trên thị trường Việt nam, có rất nhiều loại xi măng khác nhau cần

nghiên cứu đầy đủ không chỉ về mặt cường độ, thành phần hóa học, hàm lượng

các khoáng mà còn phải đánh giá phạm vi sử dụng trong các điều kiện ăn mòn

khác nhau trong thực tế

Trong các tiêu chuẩn về thiết kế, Tiêu chuẩn Việt nam (TCVN) và tiêu chuẩn

xây dựng (TCXD) chỉ mới đề cập đến việc phân loại các môi trường theo mức độ

ăn mòn khác nhau, có quy định về sử dụng hợp lý xi măng trong xây dựng Tuy

nhiên, các tiêu chuẩn này ban hành đã lâu nên không phù hợp với phân loại xi

măng như hiện nay Do đó, khó áp dụng trong các trường hợp cụ thể

Đề tài “Nghiên cứu phạm vi sử dụng của một số loại xi măng phổ biến trong công

trình xây dựng trên địa bàn các tỉnh đồng bằng sông Cửu Long” thực hiện nhằm

góp phần cung cấp thêm các thông tin cho người thiết kế, khoanh vùng phạm vi

sử dụng và xác định hàm lượng hợp lý của một số loại xi măng chủ yếu trên địa

bàn nghiên cứu Do điều kiện thời gian và kinh phí thực hiện đề tài có hạn nên

đề tài chỉ tập trung nghiên cứu trên một số nhãn hiệu xi măng ổn định và phổ

biến nhất trên thị trường các tỉnh đồng bằng sông Cửu Long hiện nay như Holcim,

Nghi Sơn, Hà Tiên 2 và Hà Tiên 2-Cần Thơ trên một số địa phương đại diện là

Tiền Giang, Cần Thơ, An Giang, Kiên Giang và Cà Mau

Cơ sở nghiên cứu của đề tài được nêu chi tiết trong Chương 3, trọng tâm là dựa

trên quy hoạch thực nghiệm với mục tiêu là thiết lập quan hệ giữa tuổi, hàm

lượng xi măng và cường độ khi bảo dưỡng trong các điều kiện khác nhau Từ đó,

xác định hàm lượng hợp lý khi sử dụng các loại xi măng nêu trên trong thiết kế

thành phần cấp phối của vữa, bê tông Sự hợp lý trong sử dụng loại xi măng &

hàm lượng xi măng được đánh giá thông qua việc nghiên cứu sự thay đổi trong

cấu trúc, tính chất cơ lý, thành phần hóa học của đá xi măng và các sản phẩm từ

xi măng như vữa, bê tông, bê tông cốt thép theo thời gian và trong các điều kiện

bảo dưỡng khác nhau Để đẩy nhanh quá trình hydrat hóa của xi măng, đề tài đã

sử dụng phương pháp thủy nhiệt (autoclave) để đối chứng với các số liệu thực

nghiệm trên mẫu thử trong các môi trường đã định

Chương 4 của đề tài trình bày các số liệu thực nghiệm để xác định các tính chất

cơ lý, phân tích thành phần hóa học và cấu trúc của các mẫu thử xi măng, vữa và

bê tông phù hợp theo tiêu chuẩn và các tài liệu kỹ thuật hiện hành Đây là cơ sở

để làm căn cứ cho việc phân tích, đánh giá cũng như các vấn đề bàn luận

Trên cơ sở thử nghiệm các tính chất cơ lý chủ yếu, áp dụng các phương pháp

phân tích hiện đại kết hợp với phân tích thành phần hóa và dựa trên các dấu hiệu

cho thấy có sự ăn mòn trong cấu trúc của xi măng để xác định phạm vi sử dụng,

hàm lượng hợp lý của xi măng trong điều kiện môi trường tự nhiên khác nhau ở

một số địa phương điển hình thuộc đồng bằng sông Cửu Long Các dấu hiệu này

bao gồm: sự thay đổi cường độ, sự thay đổi về cấu trúc, độ pH, thành phần hóa

học, tốc độ cácbonat hóa bề mặt, mức độ thâm nhập của các ion ăn mòn như Cl-,

SO42- Do điều kiện hạn chế về thời gian nên một số vấn đề nghiên cứu chưa

được hoàn tất và chưa được đánh giá một cách đầy đủ, thuyết phục Tác giả đã

nêu kết luận và một số kiến nghị liên quan đến các nghiên cứu tiếp theo ở trong

Chương 5

Phần thông tin về Tài liệu tham khảo & tác giả được liệt kê ở các trang tiếp theo

Phần Phụ lục cung cấp các số liệu chi tiết trong quá trình thực nghiệm liên quan

đến kết quả thử nghiệm trên mẫu nghiên cứu

Trong khuôn khổ một luận văn tốt nghiệp cao học, đề tài nhất định không thể

tránh được những thiếu sót và hạn chế Tác giả rất mong nhận được sự đóng góp

ý kiến của các Thầy Cô giáo, các chuyên gia và các bạn đồng nghiệp để hoàn

chỉnh đề tài, sớm đưa đề tài vào áp dụng trong thực tế, góp phần vào việc sử

dụng hợp lý và tiết kiệm các nguồn tài nguyên của đất nước

Chương

2

TỔNG QUAN

CHƯƠNG 2 10

2.1 ĐẶC ĐIỂM MÔI TRƯỜNG BIỂN VÀ VEN BIỂN VIỆT NAM 10

2.1.1 Vùng hoàn toàn ngập nước 10

2.1.2 Vùng nước lên xuống 11

2.1.3 Vùng khí quyển trên biển và ven biển 12

2.2 ĐÁNH GIÁ CƠ CHẾ ĂN MÒN CỦA MÔI TRƯỜNG ĐỒNG BẰNG SÔNG CỬU LONG 12

2.2.1 Hình thức & cơ chế ăn mòn của xi măng và các sản phẩm từ xi măng 12 2.2.2 Sự ăn mòn bê tông 20

2.2.3 Sự ăn mòn cốt thép 26

2.2.4 Môi trường ăn mòn ở đồng bằng Sông Cửu Long 29

2.3 TÁC HẠI DO ĂN MÒN VÀ SỬ DỤNG XI MĂNG KHÔNG HỢP LÝ 30

2.4 TÌNH HÌNH THỰC TẾ TRƯỚC KHI THỰC HIỆN ĐỀ TÀI 32

2.4.1 Trong nước 32

2.4.2 Nước ngoài 34

2.5 LÝ DO LỰA CHỌN & NHỮNG VẤN ĐỀ CẦN GIẢI QUYẾT CỦA ĐỀ TÀI 35

CHƯƠNG 2

TỔNG QUAN

2.1 ĐẶC ĐIỂM MÔI TRƯỜNG BIỂN VÀ VEN BIỂN VIỆT NAM

Việt nam nằm trong vùng khí hậu nhiệt đới gió mùa, phía bắc giáp Trung quốc,

phía tây giáp Lào và Campuchia, phía đông và nam giáp biển Đông Nước ta có

bờ biển dài trên 3200 km và nhiều vùng trũng ven biển bị nhiễm mặn hoặc chua

phèn Trong khi đó, phần lớn các công trình đô thị, các khu du lịch đều được xây

dựng ở những vùng gần bờ biển, thường xuyên chịu tác động của các yếu tố ăn

mòn Căn cứ vào tính chất, mức độ xâm thực có thể phân chia ảnh hưởng của môi

trường biển và ven biển theo vị trí làm việc của kết cấu bê tông và bê tông cốt

thép thành 3 tiểu vùng sau:

2.1.1 Vùng hoàn toàn ngập nước

Nước biển Việt nam có thành phần hóa học, độ mặn và tính xâm thực tương

đương với nước biển ở các đại dương khác trên thế giới Riêng vùng nước biển

gần bờ, do có ảnh hưởng của các cửa sông nên có giảm đi chút ít Chi tiết được

cho ở Bảng 2.1 Bảng 2.2

Bảng 2.1 Thành phần hóa của nước biển Việt nam và thế giới [3]

Chỉ tiêu Đơn vị Vùng biển Hòn Gai Vùng biển Hải phòng Biển Bắc Mỹ Biển Ban tích

Các kết quả điều tra, khảo sát gần đây cho thấy: các bộ phận kết cấu bê tông cốt

thép có mác từ M 20 đến M 40 đặc chắc ở vùng hoàn toàn ngập nước biển sau 50

– 60 năm vẫn còn tốt, cốt thép bị rỉ nhẹ, bê tông có bị hư hại nhưng chưa tới mức

bị nứt vỡ hay phá hủy

Bảng 2.2 Độ mặn của tầng nước mặt ở các vùng biển Việt nam [3]

Độ mặn theo tháng, ‰

Trạm

12 1 2 6 7 8

Trung bình năm

2.1.2 Vùng nước lên xuống

Nhìn chung, kết cấu bê tông & bê tông cốt thép ở vùng này chịu ảnh hưởng xâm

thực mạnh nhất vì đây là chỗ giao thoa giữa vùng ngập nước và khí quyển ven

bờ Quá trình khô, ẩm xảy ra thường xuyên và liên tục theo thời gian, làm tăng

nhanh quá trình khuếch tán ion gây ăn mòn vào trong bê tông

Ngoài quá trình ăn mòn hóa học và điện hóa, trên bề mặt kết cấu còn xảy ra ăn

mòn sinh vật, gây nên bởi các loại hà và sò biển; bị bào mòn cơ học do sóng biển

nhất là những ngày có dông bão và mùa gió lớn

Trên cơ sở các phân tích trên, Bảng 2.3 đưa ra phương pháp phân loại mức độ

xâm thực xâm thực của môi trường biển Việt nam đối với bê tông và bê tông cốt

thép

Các kết quả khảo sát thực tế cho thấy: dạng kết cấu bị hư hỏng và phá hủy chủ

yếu là do cốt thép bị ăn mòn, giảm tiết diện và tạo ra lớp gỉ sắt gây nở thể tích

làm nứt vỡ bê tông đẫn đến suy giảm dần khả năng chịu lực của kết cấu

Nhìn chung, các kết cấu bê tông cốt thép có mác dưới M 30, độ đặc chắc trung

bình sau 10 đến 15 năm làm việc ở vùng nước lên xuống và sóng đánh đều xuất

hiện ăn mòn cốt thép

Bảng 2.3: Phân loại mức độ xâm thực của môi trường biển Việt nam [3]

Mức độ xâm thực của môi trường

đối với kết cấu

Bê tông Bê tông cốt thép

3 Vùng khí quyển trên mặt nước biển và (0 – 0,25) km sát mép nước Trung bình Mạnh

2.1.3 Vùng khí quyển trên biển và ven biển

Vùng khí quyển trên biển và ven biển luôn tồn tại những hạt muối nhỏ li ti Vùng

khí quyển này có thể gây ăn mòn mạnh đối với kết cấu kim loại nói chung và cốt

thép trong bê tông cốt thép nói riêng Đặc điểm chủ yếu của vùng khí quyển này

là: nồng độ ion Cl- khá cao; nhiệt độ và độ ẩm không khí cao; thời gian ẩm ướt

kéo dài Kết quả khảo sát cho thấy, dạng phá huỷ kết cấu cũng chính là do cốt

thép bị ăn mòn, giảm tiết diện, tạo ra lớp rỉ sắt gây nở thể tích làm nứt vỡ bê tông

dẫn tới suy giảm dần khả năng chịu lực của kết cấu

2.2 CƠ CHẾ ĂN MÒN CỦA MÔI TRƯỜNG NƯỚC ĐỒNG BẰNG SÔNG

CỬU LONG

2.2.1 Hình thức & cơ chế ăn mòn của xi măng và các sản phẩm từ xi măng

a) Sự ăn mòn trong môi trường nước thường và nước có áp suất:

Nước có độ cứng tạm thời HCO3- nhỏ … , đặc biệt Ca(OH)2 sẽ hòa tan trong

nước Hòa tan đến một trị số nhất định, đến mức bão hòa sẽ không hòa tan được

nữa, các phản ứng thủy phân cũng ngừng lại, người ta gọi dung dịch Ca(OH)2 đạt

đến trạng thái cân bằng giới hạn

Theo Kind, Mockvih , cho rằng các sản phẩm hydrat hóa bê tông chỉ có thể tồn

tại ở trạng thái ổn định, khi nồng độ Ca(OH)2 trong môi trường nước lớn hơn nồng

độ Ca(OH)2 cân bằhg giới hạn tương ứng với từng khoáng Nếu nồng độ Ca(OH)2

nhỏ hơn nồng độ Ca(OH)2 tương ứng cho phép với mỗi khoáng, khoáng đó sẽ bị

phân hủy để tạo thành một hydrat hóa mới, có độ bazit thấp hơn Ca(OH)2 mới

tạo thành lại tiếp tục tan vào môi trường để đạt đến nồng độ Ca(OH)2 cân bằng

giới hạn mới

Mỗi sản phẩm có nồng độ Ca(OH)2 cân bằng giới hạn xác định

• Khảo sát khoáng hyđro silicat canxi:

3 CaO.SiO2 + 3 H2O = 2CaO.SiO2.2H2O + Ca(OH)2

(Hillebrandit)

Hillebrandit ứng với [ Ca(OH)2 ] ≥ l,l9 g CaO/ L

Nếu nồng độ [ Ca(OH)2 ] ≤ Ca(OH)2 thì thành phần 2CaO.SiO2.H2O sẽ tiếp tục

bị thủy phân:

2 (2CaO.SiO2.2 H2O) + H2O = 3 CaO.2SiO2 3 H2O + Ca(OH)2

(Afwillit)

Khoáng Ca(OH)2 mới tạo thành hòa tan vào môi trường, tạo nên nồng độ cân

bằng mới [Ca(OH)2 ] ≥ 0,8 g CaO/ l

3CaO.2SiO2 3 H2O sẽ tiếp tục bị thủy phân :

3CaO2SiO2.3H2O + n H2O = xCaO.ySiO2.zH2O + (3–x) Ca(OH)2

( Tobermorit) Với [Ca(OH)2] = 0,05 g CaO/ l

xCaO.ySiO2.zH2O sẽ tiếp tục bị thủy phân

xCaO.ySiO2.zH2O + nH2O = xCa(OH)2 + y Si(OH)4

Lúc này cấu trúc bê tông bị phá hủy hoàn toàn

•

Khảo sát khoáng Hyđroaluminat: 3 CaO.Al 2 O 3 6H 2 O

Hyđroaluminat ổn định khi nồng độ [ Ca(OH)2 ] ≥ l,08 g CaO/ l

CaO.Al2O3.6H2O sẽ tiếp tục bị thủy phân:

3 CaO.Al2O3.6H2O + 3 H2O = 2 CaO.Al2O3.8H2O + Ca(OH)2

Tương tự đối với các khoáng vật khác, [Ca(OH)2] cho các khoáng thể hiện trên

bảng 2.4 như sau:

Bảng 2.4: Hàm lượng giới hạn cho các khoáng chủ yếu trong vữa xi măng

2CaO.SiO2.H2O

3 CaO.Al2O3.6H2O 3CaO.2SiO2.3H2O xCaO.ySiO2.zH2O

l,l9 l,08 0,08 0,05 Sự phân hủy các khoáng còn phụ thuộc rất nhiều vào Mg(HCO3)2 và Ca(HCO3)2

Nếu độ cứng tạm thời càng nhỏ thì sự ăn mòn bê tông càng mãnh liệt

Trong môi trường nuớc có áp suất tĩnh, ban đầu các khoáng thủy phân, do không

có dòng chảy nên nồng độ Ca(OH)2 dễ đạt đến trạng thái cân bằng giới hạn Sự

ăn mòn sẽ không phát triển thêm Nếu nước ở trạng thái động, có dòng chảy biến

động liên tục, Ca(OH)2 mới tạo thành sẽ bị trôi đi mất, rất khó đạt cân bằng giới

hạn, cấu trúc bê tông bị ăn mòn mạnh

b) Sự ăn mòn trong môi trường nước có chứa muối khoáng:

Muối do các axit HCI, H2SO4, HNO3 tạo thành thường gặp dưới các dạng Na2SO4,

(NH)2SO4, MgSO4, CaSO4.2H2O, MgCl2, NaCI Đặc thù là tồn tại các dạng ion

SO42- ; Cl- Chúng tồn tại trong thiên nhiên với các nồng dộ khác nhau

• Sự ăn mòn trong môi trường nước có muối sunphát

Ăn mòn theo dạng hóa lý, các sản phẩm hydrat hóa sẽ tác dụng với muối

sunphat, để tạo thành hợp chất khó hòa tan, hoặc gây trương nở, sinh ra ứng suất

nội Nó có khả năng tham gia phản ứng với phần lớn các sản phẩm hydrát hóa

Sản phẩm ăn mòn là thạch cao liên kết 2 phân tử nước, thể tích tăng 2,24 lần so

với Ca(OH)2 Nếu hàm lượng SO42-.2H2O lớn sẽ gây nứt nẻ, nếu hàm lượng nhỏ

sẽ lấp đầy cấu trúc bê tông

Khi SO42- nhỏ thì ăn mòn xảy ra dạng:

3 Ca2+ + 3 SO42- + 3CaO.Al2O3.6H2O + 26 H2O = 3CaO.Al2O3.3CaSO4.32H2O

Sự tạo thành 3CaO.Al2O3.3CaSO4.32H2O làm tăng thể tích lên 2,86 lần so với

3CaO.Al2O3.6H2O Khi cấu trúc bê tông đã rắn chắc, nếu sản phẩm muối

3CaO.Al2O3.3CaSO4.32H2O có khối lượng lớn sẽ gây ra nứt nẻ

Ăn mòn bê tông phụ thuộc vào thành phần khoáng của xi măng, thành phần

khoáng của xi mãng có ánh hưởng rất lớn đến sự ăn mòn của bê tông

2 (3CaO.SiO2) + 6 H2O = 3CaO.2SiO2.3H2O + 3 Ca(OH)2

2 (2CaO.SiO2) + 4 H2O = 3CaO.2SiO2.3H2O + Ca(OH)2

Sản phẩm bị ăn mòn do muối sun phát là 3CaO.Al2O3.6H2O và Ca(OH)2 Như

vậy khi xi măng càng giàu khoáng alit thì bê tông dễ bị ăn mòn trong môi nước

có muối sunphát Xi măng càng giàu khoáng belit thì bê tông bền vững hơn trong

môi trường có khoáng sunphát

• Ăn mòn trong môi trường có muối clorua:

Dạng ăn mòn hóa học, xảy ra phản ứng trao đổi giữa clorua và sản phẩm hydrat

hóa trong bê tông tạo thành muối dễ hòa tan hoặc thành hydroxit dạng vô định

hình, làm giảm cường độ cấu trúc bê tông

2NaCI + Ca(OH)2 = CaCl2 + 2 NaOH

MgCl2 + Ca(OH)2 = CaCl2 + Mg(OH)2

CaCl2 dễ hòa tan trong nước, Mg(OH)2 kết tủa vô định hình, ngoài ra tạo khoáng

như sau:

3 CaO.Al2O3.6H2O + CaCl2 + 4 H2O = 3 CaO.Al2O3CaCl2.l0H2O

Thực tế sự ăn mòn của bê tông trong môi trường nước khoáng là sự ăn mòn tổng

hợp của muối SO42- và Cl-

c) Sự ăn mòn bê tông trong môi trường có chứa CO2:

CO2 tồn tại trong môi trường nước ở dạng H2CO3

Sự phân ly:

H2CO3 + H2O = H3O+ + HCO3-

HCO3- + H2O = H3O+ + CO32-

Quá trình xảy ra như sau:

Sản phẩm hydrát hóa Ca(OH)2 sẽ tác dụng với CO2:

CaCO3 + H2O + CO2 Ca(HCO3)2

Bicarbonat canxi rất dễ hòa tan trong nước, dễ phân ly thành cation Ca2+ và anion

HCO32- Phản ứng chỉ đạt trạng thái cân bằng tương ứng với nồng độ CO2 và

nồng độ Ca(HCO3)2 xác định Khi xung quanh công trình có dòng chảy, sẽ không

thiết lập được cân bằng trạng thái nên cấu trúc bê tông từng đợt bị ăn mòn, dần

dần bị ăn mòn hoàn toàn

d) Sự ăn mòn trong môt trường có chứa axit:

Axít tác dụng với hầu hết các sản phẩm hydrat hóa

Ca(OH)2 + H2SO4 = CaSO4.2H2O

Ca(OH)2 + 2HCI = CaCl2 + 2H2O

Ca(OH)2 + 2 HNO3 = Ca(NO3)2 + 2 H2O

Tốc độ ăn mòn xảy ra khác nhau, tùy thuộc vào độ hòa tan của sản phẩm phản

ứng Các axit, trước tiên phản ứng với Ca(OH)2 và sau đó phản ứng với

hydrosilicat calcium và hydroaluminat calcium và hydroferit calcium tạo ra dạng

muối calcium

3CaO.2SiO2.3H2O + 6 HCl = 3 CaCl2 + 2 Si(OH)4 + 2 H2O

3CaO.Al2O3.6H2O + 6 HCl = 3CaCl2 + 2 Al(OH)3 + 6 H2O

3CaO.Fe2O3.6H2O + 6 HCl = 3 CaCl2 + 2 Fe(OH)3 + 6 H2O

3CaO.2SiO2.3H2O + 3 H2SO4 + 4 H2O = 3CaSO4.2H2O + 2 Si(OH)4

3CaO.Al2O3.6H2O + 3 H2SO4 = 3CaSO4.2H2O + 2Al(OH)3 + 4 H2O

Sản phẩm ăn mòn là muối rất dễ hòa tan trong nước, hoặc hydroxit kết tủa không

có cường độ, giảm khả năng chịu lực của bê tông Hoặc muối khó hòa tan, khi

kết tinh lại liên kết với lượng nước hóa học lớn, làm tăng thể tích phân tử so với

chất tham gia phản ứng Khi có hàm lượng lớn sẽ phá vỡ cấu trúc bê tông do ứng

suất nội

Nếu môi trường có nồng độ axit lớn, chúng có thể tác dụng với các hydroxit tạo

thành sản phẩm muối dễ tan

4 HCI + Si(OH)4 = SiCl4 + 4 H2O

3 HCI + Al(OH)3 = AlCl3 + 3 H2O

3 HCI + Fe(OH)3 = FeCl3 + 3 H2O

Sự ăn mòn còn phụ thuộc vào nhiều yếu tố: Độ pH và loại axít tác dụng và thành

phần khoáng của xi măng

• Ảnh hưởng của độ pH:

Ảnh hưởng của độ pH tới tốc độ ăn mòn bê tông được thể hiện trên Hình 2.1

ẢNH HƯỞNG CỦA ĐỘ pH ĐẾN TỐC ĐỘ ĂN MÒN BÊ

6-HCl với pH = 1 5-H 2 SO 4 với pH = 1 4-HCl với pH = 2

2-H 2 SO 4 với pH = 4 3-HCl với pH = 4

1-H 2 O với pH = 7

Hình 2.1: Ảnh hưởng của độ pH đến tốc độ ăn mòn bê tông

Nhận xét:

- Đường 3, 4, 6 cùng HCl, nếu nồng độ pH càng nhỏ thì lượng CaO bị ăn mòn

càng lớn

- Thời gian tác dụng càng lâu, ăn mòm càng lớn

- Cùng một độ pH thì tốc độ ăn mòn H 2 SO 4 yếu hơn HCI vì sản phẩm từ muối

clorua dễ hòa tan hơn muối sunphát

Nếu môi trường có l % axit HCl, H2SO4, HNO3 thì bê tông chế tạo từ bất kỳ loại

xi măng nào (Có nguồn gốc từ đá cacbonat) sau một vài tháng cũng đều bị ăn

mòn Nếu chứa l % H3PO4, tác dụng ăn mòn xảy ra không đáng kể vì:

2 H3PO4 + 3 Ca(OH)2 = Ca3(PO4)2 + 6 H2O

Sản phẩm Ca3(PO4)2 là muối không tan trong nước Tuy nhiên nếu > 5 % và thời

gian kéo dài thì sự ăn mòn cũng mãnh liệt

• Ảnh hưởng của thành phần khoáng trong xi măng:

Khoáng bị ăn mòn mạnh nhất là khoáng aluminat tricanxi sự ăn mòn của các

khoáng có thể sắp xếp theo thứ tự sau: C3A > C3S > C4AF > C2S Nếu trong xi

măng có nhiều khoáng C3A; C3S ăn mòn axit mạnh Nhưng bất kỳ loại xi măng

nào chế tạo từ kiềm thổ (CaCO3) đều bị ăn mòn trong môi trường axit

e) Sự ăn mòn trong môi trường nước chứa bazơ:

Trong nhà máy giấy, tơ nhân tạo, luyện kim màu… trong nước thải của các nhà

máy trên đều có chứa nhiều NaOH, KOH Bê tông trong môi trường này cũng bị

ăn mòn, nhưng Ca(OH)2 không phải là sản phẩm bị ăn mòn mạnh nhất Vì trong

nước có NaOH, hydroxyt này phân ly:

-Nên nó làm giảm độ hòa tan của Ca(OH)2, vì vậy bê tông không bị ăn mòn do

hòa tan

Ăn mòn chủ yếu xảy ra theo dạng:

5 Ca(OH)2 + 6 (3CaO.2SiO2.3H2O) + 2 KOH + n H2O = K2O.23CaO.12SiO2.pH2O

3 (3CaO.Al2O3.6H2O) + 2 NaOH + p H2O = Ca(OH)2 + Na2O.8CaO.3Al2O3.mH2O

Sản phẩm đều liên kết với lượng nước hóa học rất lớn, gây trương nở thể tích,

phá hủy cấu trúc bê tông

Sự ăn mòn bê tông còn phụ thuộc vào nồng độ của kiềm và nhiệt độ của môi

trường

Nếu kiềm có nồng độ < 5 %: không gây ăn mòn cấu trúc bê tông

Nếu kiềm có nồng độ > 5 % và nhiệt độ cao: ăn mòn rất mạnh

Bảng 2.5: Ăn mòn các oxyt trong môi trường bazơ [15]

Hàm lượng các oxit bị xâm thực (mg/L) Tính chất môi

trường

Thời gian tác dụng

- Nhiệt độ tăng, tốc độ ăn mòn càng lớn

- Nồng độ kiềm tăng, tốc độ ăn mòn càng tăng

- Trong 3 loại oxit thì oxit axit dễ bị ăn mòn nhất (SiO 2 )

- Nếu chứa 10 % NaOH và nhiệt độ 70 0 C, cấu trúc bê tông sau 3 tháng,

cường độ uốn giảm 30 %

Sự ăn mòn bazơ không chỉ đối với các sản phẩm hydrat hóa ximăng mà còn đối

với cả cốt liệu, đặc biệt là loại vật liệu có chứa silic vô định hình

2x NaOH + y SiO2 + (z-x) H2O = x Na2O.ySiO2.zH2O

Nó liên kết hóa học với lượng nước lớn nên giản nở nhiều, gây ứng suất nội, phá

vỡ cấu trúc bê tông Thực tế bê tông chịu sự ăn mòn tổng hợp của nhiều yếu tố

2.2.2 Sự ăn mòn bê tông

Tác dụng ăn mòn của nước đối với bê tông xuất hiện khi các thành phần cơ bản

hòa tan của nó là cacbonat canxi, muối candiot và sunfat canxi làm cho bê tông

trương nở và vỡ vụn Tùy thuộc vào thành phần hóa học, có thể chia ra 5 dạng ăn

mòn của nước dưới đất như Bảng 2.6 sau:

Bảng 2.6:Phân loại dạng ăn mòn của nước dưới đất [18]

Mức độ gây ăn mòn

Thành phần gây ăn mòn

Hiện nay vẫn chưa có một bảng phân loại hóa học nước dưới đất thống nhất

Những bảng phân loại thuận tiện nhất là phân loại dựa trên nguyên tắc phân chia

nước dưới đất theo các cation và anion chiếm ưu thế và tương quan giữa chúng

Bảng phân loại của O Alokin theo sơ đồ mô tả ở hình 2.2:

Theo sơ đồ này, nước thiên nhiên chia làm 2 lớp: hydrocacbonat và cacbonat

(HCO3- & CO32-), sunfat (SO42-) và clorua (Cl-) Mỗi lớp lại chia ra 3 nhóm theo

các cation chiếm ưu thế: Ca2+, Mg2+, Na+, K+ Mỗi nhóm lại chia ra 3 loại Có 4

loại sau:

Loại I: HCO3-> Ca2+ + Mg2+: là nước kiềm mềm

Loại II: HCO3-< Ca2+ + Mg2+< HCO3- + SO42- là nước có độ khoáng hóa nhỏ và

trung bình

Loại III: HCO3- + SO42- < Ca2+ + Mg2+ là nước có độ khoáng hóa cao

Loại IV: HCO3- = 0 là nước axít

Hình 2.2: Sơ đồ phân loại nước dưới đất theo O Alokin [18]

a) Các dạng ăn mòn và môi trường ăn mòn:

Tác dụng ăn mòn thì rất nhiều và hoạt động của chúng lên các cấu kiện xây dựng

rất đa dạng Vì vậy, để phân biệt môi trường ăn mòn người ta dựa vào một vài

biểu lộ tổng quát để nhận biết sự ăn mòn của các tác nhân khác nhau của môi

trường Có thể phân loại theo nhiều phương thức:

• Phân loại môi trường gây nên ăn mòn:

- Sự ăn mòn trong môi trường không khí: gây nên do những tác nhân ăn mòn

có chứa trong không khí như CO2, SO2, Cl2, H2S…những tác nhân này sẽ phản

ứng với những sản phẩm hydrat hóa xi măng gây ăn mòn Ngoài ra còn có

những tác nhân phụ trợ như: hơi nước, nhiệt độ, ánh sáng

- Ăn mòn trong môi trường nước: do các tác nhân chứa trong nước như: axit,

bazơ, muối khoáng Các tác nhân này phản ứng với những sản phẩm hydrat

hóa bê tông gây ăn mòn

- Ăn mòn trong đất: trong đất luôn luôn có nước ngầm hay độ ẩm cao Ngoài

ra trong đất còn chứa axit, bazơ, muối khoáng Đặc biệt trong đất có yếu tố

dòng điện gây nên ăn mòn công trình

• Phân loại theo trạng thái gây nên ăn mòn:

- Ăn mòn hóa học: gây nên là do những tạp chất có chứa trong môi trường Nó

tiến hành phản ứng trao đổi với các sản phẩm hydrat hóa bê tông để tạo

thành những hợp chất mà những hợp chất đó hoặc là rất dễ hòa tan trong nước

làm cho cấu trúc bê tông bị rỗng hoặc kết tủa dạng vô định hình không có tính

kết dính vì vây cường độ bê tông sẽ giảm Aên mòn hóa học bao gồm các

dạng:

- Ăn mòn hóa lý: gây nên do vừa tác nhân xâm thực hóa học và hóa lý của

môi trường nghĩa là trong môi trường chứa những hợp chất hóa học, những

hợp chất này tiến hành phản ứng với các sản phẩm hydrat hóa bê tông tạo

thành hợp chất mới mà những hợp chất này kết tinh thành những tinh thể khó

hòa tan trong nước nhưng lại liên kết với lượng nước hóa học lớn làm cho thể

tích phân tử rất lớn so với những chất tham gia phản ứng ban đầu Chính sự nở

thể tích này, nếu hàm lượng lớn sẽ tạo ra ứng suất nội làm nứt nẻ, phá hủy

cấu trúc bê tông

- Ăn mòn điện hóa: chỉ xảy ra đối với kim loại đó là cốt thép Trong môi

trường khi có hàm ẩm trên bề mặt công trình sẽ gây ra quá trình oxi hóa và

quá trình khử nghĩa là tạo ra hai cực Anod và Katod làm phát sinh dòng điện

và như vậy sẽ chuyển ion kim loại vào môi trường gây nên ăn mòn cốt thép

- Ăn mòn sinh hóa: do những vi khuẩn, rêu tảo, nấm mốc gây ra Trong quá

trình phát triển của nó, nó thải trên bề mặt công trình xây dựng những độc tố

có thể gây ăn mòn bê tông và bê tông cốt thép

• Phân loại theo tính chất của quá trình ăn mòn:

V.Moskvin phân biệt 3 dạng chính của ăn mòn bê tông, xác định mỗi dạng bằng

tổng các dấu hiệu phá hủy phổ biến:

- Dạng ăn mòn thứ nhất: là sự phân hủy bề mặt bê tông do hoạt động của

chất lỏng nhất là môi trường nước có độ cứng tạm thời nhỏ Cũng có thể hòa

tan những thành phần của đá xi măng, đặc biệt là hydroxyt canxi Khi hòa tan

các thành phần này đựơc lấy đi ra khỏi cấu trúc của bê tông làm cấu trúc rỗng

đi và nước thấm qua khối bê tông càng nhiều, đo đó có thể tăng tốc độ phân

hủy bê tông

- Dạng ăn mòn thứ hai: xảy ra do cấu trúc bê tông công trình xây dựng tiếp

xúc với môi trường có chứa những hợp chất hóa học mà những hợp chất này

phản ứng trao đổi với những sản phẩm hydrat hóa bê tông Những sản phẩm

phản ứng hoặc là hòa tan một cách dễ dàng và được lấy đi từ cấu trúc bên

trong của bê tông bằng cách khuyếch tán hay sự thấm qua, hoặc chúng có thể

kết tủa dạng khối vô định hình không có đặc tính kết dính Dạng ăn mòn này

tiêu biểu cho quá trình ăn mòn xảy ra trong bê tông bị tấn công bởi dung dịch

axit và những muối xác định

- Dạng ăn mòn thứ ba: do cấu trúc bê tông công trình xây dựng tiếp xúc với

môi trường có chứa các hợp chất hóa học Những hợp chất này phản ứng với

những thành phần của đá xi măng tạo ra hợp chất mới, những hợp chất này

khi kết tinh lại liên kết với lượng phân tử nước hóa học lớn, chúng khó hòa

tan Thể tích phân tử của những sản phẩm này rất lớn so với thể tích phân tử

chất tham gia phản ứng ban đầu, tạo ra ứng suất nội gây nứt nẻ phá hủy cấu

trúc bê tông

b) Diễn tiến của sự ăn mòn:

Sunphát Na, K đã hòa tan trong nước tiếp xúc với đá xi măng có thể gia tăng

đáng kể độ hòa tan của thành phần đá xi măng nghĩa là gia tăng sự ăn mòn dạng

I và là nguyên nhân thay thế của Ca2+ cho Na+, K+, Mg2+ của đá xi măng nghĩa là

ăn mòn loại II

Aên mòn sunphát là loại ăn mòn tổng quát của loại III, nước lỗ rỗng tiếp xúc đá xi

măng dần dần bão hòa CaSO4 do kết quả của phản ứng trao đổi Trước tiên chúng

ta xét sự kết tủa và phát triển tinh thể thạch cao CaSO4.2H2O Muối kết tủa khi

nồng độ CaSO4 vượt quá 2020 – 2100 mg/l (Ca2+: 594 – 618 mg/l và SO42-: 1426 –

1482 mg/l) và vắng mặt các ion tạp chất

Dung dịch CaCl2 ảnh hưởng đến sự tạo thành sunphát calcium Sự hiện diện của

ion Ca2+ giảm sự hòa tan của CaSO4 và lôi cuốn CaSO4.2H2O kết tủa Trái lại sự

hiện diện của NaCl làm chậm sự kết tủa của tinh thể thạch cao do sự gia tăng độ

hòa tan CaSO4.2H2O ví dụ trong dung dịch NaCl 2 % CaSO4 hòa tan 5,2 g/l; trong

khi dung dịch 4 % độ hòa tan của CaSO4 là 5,92 g/l

Số liệu về sự hòa tan của CaSO4 mô tả đặc điểm sự ảnh hưởng của những muối

khác nhau đến sự phát triển của tinh thể trong bê tông bị ăn mòn do sunphát Cho

đến nay những điều kiện cân bằng trong những hệ thống phức tạp hơn, đặc trưng

cho sự hiện diện của một lượng lớn những thành phần, và đặc biệt trong hệ thống

như vậy đá xi măng đã không được nghiên cứu đầy đủ

Hydro sulfoaluminate calci là muối phức quan trọng nhất đối với độ bền của đá

xi măng đã tạo thành bê tông trải qua sự ăn mòn của dung dịch sunphát, có thể

được tạo ra tùy thuộc vào điều kiện phản ứng: trisulfate và monosulfate Sự thay

đổi đầu tiên của hydro sulfoaluminate chứa nhiều tinh thể nước thì có tác động có

hại đặc biệt đến bê tông Những tinh thể của nó gây ra sự phá hủy đáng kể đến

đá xi măng và bê tông

Hydro sulfoaluminate calci đã gây ra sự hydrat hóa của xi măng portland đã được

nghiên cứu: ettringite đã tạo thành ở nhiệt độ trên 100 oC tác động với C3A để

tạo ra monosulfate và cùng tồn tại với C3A trong một dung dịch rắn Với sự

hydrat hóa đồng thời của pha aluminate và silicate của clinker xi măng trong sự

hiện diện của thạch cao, monosulfate và C3A của dung dịch rắn kết hợp với gel

hydro silicate Nhiệt độ hydrate hóa càng cao, ettringite biến đổi thành

monosulfate càng nhanh

Những tinh thể của calcium hydro sulfoaluminate không phải lúc nào cũng tìm

thấy được trong bê tông của những công trình lộ ra trong nước sulfate, đặc biệt

trong môi trường nước biển Vì vậy, một vài nhà điều tra nghi ngờ rằng Calcium

hydro sulfoaluminate thể hiện một phần quan trọng trong sự phá hủy bê tông do

sulfate Người ta đã thí nghiệm những mẫu vữa đá xi măng, bê tông đã xử lý với

dung dịch sulfate trong điều kiện phòng thí nghiệm cho thấy số tinh thể hydro

sulfoaluminate thường nhỏ Kết quả của những mẫu ngâm trong dung dịch

Na2SO4 trong một thời gian dài cho thấy lượng tinh thể này có mặt trong những

mẫu bị ảnh hưởng khá nhỏ, trong khi những tinh thể thạch cao được được tìm thấy

đầy trong những khe nứt và lỗ rỗng Những cuộc khảo sát bằng kính hiển vi của

mẫu bê tông đã khoan từ cấu trúc bê tông trong nước biển đã cho biết trong một

vài trường hợp những tinh thể của calcium-hydro sulfoaluminate giữa những sản

phẩm của sự phá hủy bê tông

c) Aûnh hưởng các yếu tố đến sự phá hủy của bê tông:

Trước tiên chúng ta xét đến ảnh hưởng của thành phần khoáng xi măng portland

đến độ bền sulfate, những quy luật của hợp chất thứ sinh (oxide magne, oxide

calci)

Khi thêm thạch cao vào xi măng, thạch cao kết hợp tập trung nhất trong ngày đầu

tiên của sự đông kết nghĩa là trong giai đoạn của trạng thái linh động của cấu

trúc đá xi măng: với độ mịn thông thường, 2 % của sulfate đã được kết hợp

Lượng CaSO4 và lượng aluminate calcium dùng để phản ứng trong pha đầu tiên

của sự hydrat hóa (nghĩa là khi cấu trúc của đá xi măng được tạo thành và kết

quả của những quá trình phá hủy dường như trung hòa do kết thúc quá trình đông

cứng và cường độ của cấu trúc) phụ thuộc vào độ mịn của xi măng, ảnh hưởng

của aluminate calci tới nước và nước hòa tan thạch cao Điều quan trọng nhất là

khi tốc độ của sự hydrat hóa và sự hòa tan của từng khoáng clinker xi măng khác

nhau, sự tác động qua lại của những hạt xi măng với nước bị chi phối bởi lượng

khoáng aluminate mà nó sẽ phản ứng với sulfate trong pha đầu tiên trong sự

hydrat hóa xi măng

Aûnh hưởng của khoáng C3S và C2S đến độ bền sulfate của bê tông vẫn còn gây

tranh luận Một vài tác giả cho rằng xi măng portland với lượng chứa C2S tăng thì

độ bền sulfate cao hơn so với xi măng chứa C3S cao Trong xi măng belit có C2S

cao hơn, việc duy trì độ pH của môi trường sẽ thấp hơn xi măng alit Ơû đây hydro

aluminate calcium hòa tan và phản ứng với thạch cao trong dung dịch để tạo ra

hydro sulfoaliminate Phản ứng tiến hành không gia tăng một cách đáng kể trong

pha rắn và vì vậy nó không là nguyên nhân gây thiệt hại đá xi măng

Tuy nhiên, theo những khảo sát khác, độ bền sulfate của bê tông được xác định

bởi lượng C3A của clinker không kể tới tỉ lệ C3S/C2S trong xi măng Người ta thấy

rằng tất cả thí nghiệm làm với xi măng 15 % C3A (tỉ lệ trộn 1:4 và 1:2) đã hư

trong một năm không kể đến tỉ số C3S/C2S, mà tỉ số này thay đổi từ 0,5 – 10 Mẫu

thử với 5 % C3A cho thấy không có dấu hiệu phá hủy sau 2 năm

Từ những thí nghiệm về độ bền sulfate của xi măng portland mà thành phần

khoáng khác nhau rất lớn, người ta thấy rằng: đá xi măng belit là bền nhất, trong

khi xi măng chứa C3A cao là kém nhất Vậy độ bền sulfate của các loại xi măng

portland khác nhau tùy thuộc vào lượng chứa C3A

So sánh độ bền của xi măng portland, portland puzzolan, portland xỉ: Như ta đã

biết phụ gia thủy tăng cường sự thủy phân của những hạt clinker xi măng Đặc

điểm khác biệt nữa của đá xi măng có phụ gia thủy là đầu tiên phụ gia thủy hút

vôi đã sản sinh từ sự thủy phân xi măng và kết hợp với nó tạo ra hydro silicate

calcium Khi phản ứng với phụ gia thủy nồng độ Ca(OH)2 giảm, như vậy không

thể tạo thành và tồn tại nhiều hydroaluminate calci cơ bản Điều này sẽ giảm tối

thiểu và trong một vài trường hợp, thậm chí loại trừ sự tạo thành hydro

sulfoaluminate calci Đặc điểm quan trọng tiếp theo của đá xi măng portland

puzzolan là hiện diện trong đá những vi cấu trúc của đá xi măng với 10 – 15 %

phụ gia thủy trở nên tốt một cách đáng chú ý, do đó tạo thành vi cấu trúc bê tông

đồng nhất hơn Việc hấp thụ Ca(OH)2 bởi phụ gia khoáng ngăn chặn sự hỗn độn

tắt nghẽn của tinh thể Ca(OH)2 trong đá xi măng Sự hỗn độn nằm ở vị trí ăn mòn

và nó là tiêu điểm của sự phá hủy xi măng do ăn mòn sulfate

2.2.3 Sự ăn mòn cốt thép

Ăn mòn cốt thép là sự phá huỷ dần cốt thép do tương tác hóa học hay điện hóa

với đặc trưng cơ bản là ăn mòn từ ngoài bề mặt vào sâu bên trong

Trong thực tế, đa số quá trình ăn mòn cốt thép là quá trình điện hóa mà về cơ chế

chung, diễn ra theo phản ứng hóa học sau:

Fe + H2O + 0.5 O2 → Fe(OH)2

Phản ứng này diễn ra tạo nên vô số cặp pin tế vi gồm 2 cực anốt và catốt Tại các

cực này diễn ra các phản ứng:

Anốt : Fe → Fe2+ + 2e

-Catốt : 2e- +0.5 O2 + H2O → 2 OH

-Các sản phẩm ăn mòn hay còn gọi là rỉ sắt tồn tại dưới dạng Fe3O4, Fe(OH)2,

Fe(OH)3, Fe(OH)3.3H2O Đây là các chất ở dạng xốp với thể tích lớn gấp 4 đến 6

lần so với thành phần ban đầu, tạo nên ứng suất phá vỡ liên kết giữa bê tông và

cốt thép, gây nứt lớp bê tông bảo vệ dọc theo vị trí cốt thép

Như vậy, các chất tham gia vào phản ứng gây rỉ cốt thép là O2 và H2O Điều kiện

để phản ứng xảy ra là màng thụ động bảo vệ bề mặt cốt thép bị xuyên thủng

Thực tế cốt thép trong bê tông ở điều kiện bình thường không bị ăn mòn do trong

các mao quản và bề mặt cốt thép luôn có hơi nước ngưng tụ, cân bằng với hàm

ẩm trong không khí

Trong quá trình đóng rắn của xi măng luôn xuất hiện khoáng Ca(OH)2, khi nồng

độ này lớn sẽ dẫn đến pH của môi trường có giá trị khá cao Thông thường, khi

pH = 12,6 sẽ diễn ra trạng tháng cân bằng ổn định trên bề mặt cốt thép

-Fe(OH) + H2O Fe(OH)2 + H+ + e

-Trên mặt ổn định đó sẽ tạo nên một lớp FeO và Fe(OH)2 là màng bảo vệ tự

nhiên, lý tưởng đối với cốt thép Màng này ổn định trong môi trường có pH từ

11,5 đến 13,8 Điều này cần lưu ý để khi pha phụ gia khoáng vào xi măng, tránh

không để xảy ra môi trường pH nhỏ hơn 11,5 sẽ dễ gây nên hiện tượng ăn mòn

cốt thép

Trong dung dịch pH ≤ 5, thép bị ăn mòn mạnh, đến pH = 10 thì tốc độ ăn mòn

giảm đi đáng kể Ở pH từ 11,5 đến 13,8 thì hiện tượng ăn mòn hầu như ngừng

hẳn Ngoài ra, khi tăng hàm lượng oxy trong nước, tốc độ ăn mòn cũng tăng lên

Trong điều kiện pH gần trung tính, mức ăn mòn phụ thuộc vào lượng oxy hòa tan

Điều này thấy được thông qua mức độ ăn mòn của nơi thường xuyên khô hay ướt

sẽ thấp hơn ở những nơi lúc ướt, lúc khô; mức ăn mòn tăng khi vận tốc dòng chảy

tăng và mức ăn mòn giảm xuống khi độ sâu tăng

Hiện tượng cacbonat hóa cũng là một trong những biểu hiện của sự ăn mòn cốt

thép Lý do là khí CO2 sẽ tác dụng với Ca(OH)2 trong các mao quản của xi măng,

hình thành nên lớp cacbonat hóa, làm giảm pH Tốc độ cabonat hóa cao nhất ở

độ ẩm tương đối từ 40 – 80 % và phụ thuộc nhiều vào độ đặc chắc của bê tông

Các yếu tố gây nên hiện tượng ăn mòn có nhiều song ion Cl- là yếu tố tác động

mạnh nhất và là nguyên nhân chủ yếu dẫn đến hiện tượng rỉ cốt thép sau thời

gian sử dụng rất ngắn Ion Cl- bản thân nó không làm giảm pH quanh cốt thép

nhưng nó chính là chất xúc tác cho quá trình ăn mòn, nó gây ra sự phá hủy màng

bảo vệ cốt thép

Cần lưu ý là bên cạnh ion Cl- nhất thiết phải có nước chứa oxy hòa tan mới gây

nên hiện tượng ăn mòn Một điểm cần lưu ý nữa là các công trình thường nằm

trong vùng có chứa cả ion Cl- và khí CO2, càng làm tăng thêm nguy cơ ăn mòn

cốt thép

Tại nhiều nước trên thế giới, trong tiêu chuẩn chống ăn mòn cho các kết cấu bê

tông cốt thép có quy định rõ về hàm lượng Cl- trong vật liệu đầu vào Tuy nhiên,

đã có một số nghiên cứu việc sử dụng cát nhiễm mặn để chế tạo bê tông cốt thép

đồng thời với áp dụng các kỹ thuật thích hợp nhằm đảm bảo an toàn cho cốt thép

dựa trên các nguyên tắc đã nêu trên

Quá trình khuếch tán ion Cl- vào trong bê tông trong môi trường biển có thể mô

tả bằng biểu thức [9] sau:

x erf C

.2

1)

, (

Trong đó:

C (x,t) – hàm lượng ion Cl- trong bê tông tại vị trí x và thời gian t

Co – hàm lượng ion Cl- trên bề mặt bê tông

x – điểm xác định hàm lượng Cl- cách bề mặt cấu kiện khoảng cách x

t – thời gian khuếch tán

D – hệ số khuếch tán, và erf là hàm erro-function

Đối với vùng biển Việt nam, Co được xác định thực tế trên 50 công trình lâu năm,

nằm rải rác từ Bắc vào Nam, trong các vùng nước lên xuống, trên mặt biển và

trên bờ Kết quả trung bình có được, ở vùng nước lên xuống Co = 0,488 %, ở vùng

khí quyển trên biển Co = 0,114 % và trên bờ Co = 0,080 % khối lượng bê tông

Giá trị C x,t được tác giả chọn là 0,050 % khối lượng bê tông, tương đương với 1,1

kg ion Cl- trên 1 m3 bê tông

Hệ số D chủ yếu phụ thuộc vào độ đặc chắc, tương ứng với từng mác bê tông như

sau: M 25, D =8.108 cm2/s; M = 30, D = 6.108 cm2/s; M40, D = 5.108 cm2/s

Thời gian t có thể coi là tuổi thọ tính toán của công trình, là thời điểm mà cốt

thép bắt đầu rỉ sau khi đưa vào sử dụng

2.2.4 Môi trường ăn mòn ở đồng bằng Sông Cửu Long

Đồng bằng Sông Cửu Long có rất nhiều vùng trũng, đa phần là ngập mặn, nhiễm

phèn trong mùa khô Một số địa phương như Tiền Giang, Kiên Giang, Cà Mau bờ

biển rất gần khu vực trung tâm Nối tiếp giữa bờ biển và trung tâm là các vùng

ngập mặn, có mức nước ngầm tương đối cao

Kết quả phân tích các mẫu nước ở một số địa phương điển hình vùng đồng bằng

Sông Cửu Long của Liên đoàn Địa chất Thủy văn – Địa chất công trình 806 [2]

trong các năm gần đây tại các vùng đã lựa chọn là Tiền Giang, Cần Thơ, Cà

Mau, An Giang và Kiên giang như Bảng 2.7

Bảng 2.7: Chất lượng nước ở các vùng nghiên cứu [2]

Ghi chú: (*) Số liệu thử nghiệm trung bình của 3 năm từ 2000 đến 2002

Qua số liệu trên, cho thấy nước ngầm và nước biển ở các địa phương trên thuộc

vùng đồng bằng Sông Cửu Long là nước ăn mòn sunphat, ăn mòn CO2, ăn mòn

do muối manhê từ yếu cho đến rất mạnh; ăn mòn NH4+ từ yếu cho đến mạnh

Hình 2.3: Các địa phương được lựa chọn để nghiên cứu

4 Châu Thành, An Giang; 5 Long Mỹ, Cần Thơ

2.3 TÁC HẠI DO ĂN MÒN VÀ SỬ DỤNG XI MĂNG KHÔNG HỢP LÝ

Tình trạng ăn mòn và hư hỏng các công trình bê tông cốt thép đã xây dựng ở các

vùng khí hậu có tác nhân gây ăn mòn đang ở mức báo động, đặc biệt là tốc độ ăn

mòn làm hư hỏng kết cấu ở vùng nước lên xuống, sóng táp, khí quyển trên biển

và ven biển sớm hơn rất nhiều so với thiết kế dự kiến

Theo đánh giá cuả các công trình nghiên cứu thuộc Viện Khoa học Công nghệ

Xây dựng thì chi phí cho việc sửa chữa, khắc phục hậu quả ăn mòn có thể chiếm

tới (30 – 70)% mức đầu tư xây dựng công trình Bảng 2.8 đưa ra niên hạn xảy ra

hư hỏng kết cấu bê tông cốt thép thường gặp trong môi trường biển Việt nam

Bảng 2.8: Niên hạn xảy ra hư hỏng kết cấu bê tông cốt thép ở Việt nam [3]

Niên hạn xảy ra hư hỏng kết cấu

50 năm, %

1 Kết cấu bị nhiễm mặn ban đầu do

2 Kết cấu ở vùng thủy triều lên

3 Kết cấu vùng ven biển và sát mép

Nguyên nhân chủ yếu gây ăn mòn và hư hỏng công trình bê tông cốt thép ở Việt

nam là do: sử dụng vật liệu có tính năng chống ăn mòn thấp, các thiếu sót và bất

hợp lý trong việc áp dụng các biện pháp kỹ thuật gồm công tác thiết kế, thi công,

quản lý sử dụng và bảo trì công trình về vấn đề sử dụng vật liệu, qua đánh giá

có nhận xét chung là các loại vật liệu sử dụng để chế tạo chưa được lựa chọn hợp

lý và hầu như chưa đáp ứng yêu cầu chống ăn mòn Tại vùng ăn mòn nhẹ nhất

(vùng khí quyển gần bờ, cách mép nước từ 1 đến 20 km), các loại vật liệu sử

dụng cũng chỉ có khả năng đảm bảo độ bền cho các kết cấu bê tông cốt thép

trong khoảng (30 – 40) năm Khi làm việc trong điều kiện khắc nghiệt hơn thì chỉ

đảm bảo độ bền từ (10 – 20) năm

Bên cạnh việc sử dụng chủng loại xi măng không hợp lý còn có tiềm ẩn các nguy

cơ bị ăn mòn khi sử dụng hàm lượng xi măng quá cao trong kết cấu Do hàm

lượng sử dụng xi măng khá lớn dẫn đến hiện tượng toả nhiều nhiệt, co ngót nhiều

trong quá trình đóng rắn dẫn đến hiện tượng nứt nẻ trong cấu trúc bê tông, dẫn

đến việc tăng nhanh tốc độ của quá trình ăn mòn Ngược lại, nếu sử dụng quá ít

xi măng, khi đó lượng chất kết dính tạo ra không đủ để duy trì liên kết lâu dài

giữa chất kết dính và các cốt liệu, làm cho kết cấu bê tông, vữa bị rỗng dẫn đến

dễ bị ăn mòn hơn Tiêu chuẩnViệt nam về thiết kế thành phần bê tông cũng có

nêu yêu cầu về hàm lượng xi măng tối thiểu trong từng môi trường làm việc khác

nhau của kết cấu Do vậy, để nâng cao hiệu quả, bên cạnh việc sử dụng hợp lý

các chủng loại xi măng, người thiết kế cũng cần phải quan tâm đến hàm lượng

hợp lý của xi măng

2.4 TÌNH HÌNH THỰC TẾ TRƯỚC KHI THỰC HIỆN ĐỀ TÀI

2.4.1 Trong nước

Theo tiêu chuẩn Việt nam về phân loại xi măng, có nhiều chủng loại như xi

măng poóc-lăng, xi măng poóc-lăng hỗn hợp, xi măng poóc-lăng xỉ hạt lò cao, xi

măng poóc-lăng puzơlan, xi măng poóc-lăng bền sun phát Tuy nhiên, hiện nay,

trên thị trường các tỉnh đồng bằng sông Cửu Long chỉ sử dụng 02 chủng loại xi

măng đựng trong bao phổ biến là xi măng poóc-lăng (PC) và xi măng poóc-lăng

hỗn hợp (PCB) Trong đó: xi măng lăng có PC 30, PC 40; xi măng

poóc-lăng hỗn hợp có PCB 30 & PCB 40 Ngoài ra, tại các nhà máy còn cung cấp loại

xi măng xá đựng trong các xe chuyên dụng có mác xấp xỉ PC 50

Tiêu chuẩn Việt nam (TCVN) và tiêu chuẩn xây dựng (TCXD) đã có quy định

yêu cầu kỹ thuật cụ thể về tính chất cơ lý và thành phần hóa cho hầu hết các loại

xi măng [10]

Trong các tiêu chuẩn về thiết kế, TCVN và TCXD có đề cập đến việc phân loại

các môi trường theo mức độ ăn mòn khác nhau, nêu công dụng cụ thể của các

loại xi măng, điều kiện được phép và không được phép sử dụng trong các trường

hợp cụ thể [12, 13, 14] Trong các tài liệu chỉ dẫn về thiết kế, Bộ Xây dựng &

TCVN có đề cập đến hàm lượng xi măng tối thiểu, tính hợp lý của việc sử dụng

mác xi măng trong thành phần bê tông và vữa nhưng không quy định hàm lượng

xi măng tối thiểu cho vữa Tuy nhiên, do các tiêu chuẩn về yêu cầu kỹ thuật của

đa số loại xi măng đã thay đổi về cơ bản, chủ yếu là về phương pháp thử nên các

quy định trên hầu như rất khó áp dụng Người sử dụng phải mất nhiều thời gian

để quy đổi, tính toán Hơn nữa, trên thị trường hiện nay hầu như không có nhà

cung cấp xi măng mác thấp nên các quy định này rất khó thực hiện

Trong thực tế, ở các công trình do các công ty Việt nam tư vấn & thiết kế hầu như

chỉ quan tâm đến độ lưu động, độ dẻo, Dmax và cường độ của bê tông và vữa mà

ít khi xem xét, quan tâm đến khả năng chịu lực lâu dài của công trình cũng như

hàm lượng hợp lý của chất kết dính trong thành phần của bê tông và vữa xây

dựng Trong khi đó, đối với hầu hết các công trình do đối tác nước ngoài tư vấn

& thiết kế bao giờ cũng quan tâm đến chủng loại xi măng, hàm lượng xi măng tối

đa và tối thiểu để đảm bảo khả năng thi công, làm việc và độ bền lâu dài của

công trình

a) Các nghiên cứu của Viện Khoa học Công nghệ Xây dựng:

Có thể nói hầu hết các đề tài liên quan đến ăn mòn và chống ăn mòn cho bê tông

hiện nay ở Việt nam đều do Viện Khoa học Công nghệ Xây dựng chủ trì hoặc

tham gia thực hiện

Trong báo cáo của mình, PGS-TS Cao Duy Tiến [3] đã đề cập đến tác hại của

tình trạng ăn mòn gây hư hỏng và tình trạng của các công trình vùng biển ở Việt

nam theo 3 vùng khí hậu là: vùng ngập nước, vùng nước thủy triều lên xuống -

sóng đánh và vùng khí quyển trên biển - ven biển Tác giả cũng phân tích

nguyên nhân gây ăn mòn và phá huỷ các công trình bê tông và bê tông cốt thép

liên quan đến sử dụng vật liệu, thiết kế, thi công và quản lý sử dụng công trình

Tác giả đánh giá dạng hư hỏng kết cấu chủ yếu là do cốt thép bị ăn mòn, gây

phá hủy kết cấu bê tông cốt thép, xảy ra chủ yếu ở vùng nước lên xuống và sóng

đánh, khí quyển trên biển và ven biển vào sâu trong đất liền đến hơn 20 km

Trong nghiên cứu về "Xác định chiều dày lớp bê tông bảo vệ cốt thép trong môi

trường biển Việt nam" [9], TS Cao Duy Tiến & các cộng sự thuộc Viện Khoa

học Công nghệ Xây dựng đã nghiên cứu thực nghiệm dựa trên lý thuyết khuếch

tán của ion Cl- vào bê tông trong môi trường biển, tham khảo các tài liệu của

nước ngoài để đưa ra kiến nghị cho kết cấu bê tông cốt thép ở trong từng vùng

xâm thực của môi trường biển Việt nam là mác bê tông tối thiểu M 30, chiều dày

lớp bảo vệ từ 40 mm (cho vùng khí quyển trên bờ) đến 65 mm (cho vùng nước

lên xuống và sóng đánh)

Trong tài liệu "Chỉ dẫn kỹ thuật thiết kế, thi công chống ăn mòn và bảo vệ các

công trình bê tông & bê tông cốt thép xây dựng ở vùng biển Việt nam" [4] và

"Dự thảo tiêu chuẩn xây dựng về chống ăn mòn cho kết cấu bê tông & bê tông

cốt thép trong môi trường biển Việt nam" [4], TS Lê Quang Hùng cũng đưa ra

các biện pháp nhằm đảm bảo chống ăn mòn để đạt tuổi thọ cho công trình theo

thiết kế Tác giả đã đưa ra phân vùng khí hậu, chỉ dẫn về thiết kế liên quan đến

mác bê tông (nén và chống thấm) và chiều dày lớp bê tông bảo vệ Tác giả cũng

đưa ra các yêu cầu đối với vật liệu sử dụng để chế tạo bê tông và bê tông cốt

thép theo từng vùng khí hậu Tuy nhiên, tác giả chưa đưa ra các số liệu nghiên

cứu để chứng minh một cách thuyết phục các yêu cầu đưa ra, ví dụ như xi măng,

chỉ khống chế tỉ lệ C3A là chưa có cơ sở

Các nghiên cứu trên chủ yếu tập trung ở công trình biển và ven biển nhưng chưa

đi sâu vào vùng ngập mặn và nhiễm phèn như các tỉnh đồng bằng sông Cửu

Long

b) Các đề tài nghiên cứu khác:

Một trong các nghiên cứu chuyên sâu về ăn mòn của xi măng và các sản phẩm từ

xi măng là các đề tài cao học do các học viên cao học chuyên ngành Vật liệu &

Cấu kiện Xây dựng, trường ĐHBK TP Hồ Chí Minh khóa 1, thực hiện năm 1998

Các tác giả đã so sánh về các chỉ tiêu cơ lý, thành phần hóa học cũng như chứng

minh khả năng chịu ăn mòn của xi măng thường và xi măng có sử dụng phụ gia

hoạt tính thông qua các phương pháp phân tích hiện đại như DTA, DTG, nhiễu xạ

Rơn-ghen, kính hiển vi điện tử quét

Tuy nhiên, hầu hết các đề tài này đều nghiên cứu dựa trên môi trường ăn mòn

nhân tạo Tức là đặt mẫu thử vào trong môi trường ăn mòn mạnh nhất để từ đó

rút ra các kết luận và đánh giá tác dụng của các loại phụ gia Điều này làm tăng

nhanh quá trình ăn mòn hơn nhiều lần so với thực tế Trong khi đó, các nghiên

cứu chưa đưa ra phương án đối chứng để có thể suy ra điều kiện làm việc thực tế

của vật liệu để từ đó có thể dự đoán được tuổi thọ của công trình

2.4.2 Nước ngoài

Viện Bê tông Hoa Kỳ (American Concrete Institude – ACI) nghiên cứu khá sâu

về thành phần cấp phối của bê tông, vữa cũng như ảnh hưởng của các vật liệu sử

dụng đến độ bền của bê tông, vữa Bên cạnh tạp chí của ACI phát hành hàng

tháng còn có các tuyển tập tiêu chuẩn và hướng dẫn, nghiên cứu về bê tông

được ban hành và soát xét hàng năm Trong đó cũng đề cập việc lựa chọn thành

phần bê tông, vữa cũng như điều kiện để sử dụng các loại xi măng trong các môi

trường ăn mòn khác nhau [22, 24, 25, 26] Tuy nhiên, các tài liệu này chỉ có tính

chất tham khảo do việc phân loại, phương pháp thử xi măng của Hoa Kỳ và Việt

Nam có khác nhau

Tiêu chuẩn BS (British Standard) [21], trong phần thiết kế thành phần bê tông

cũng có đề cập đến một số vấn đề liên quan đến việc sử dụng an toàn bê tông

trong công trình như chủng loại xi măng, hàm lượng xi măng tối thiểu & tối đa…

Nhóm nghiên cứu do giáo sư Franz-Josef Ulm [7], ngành Xây dựng & Kỹ thuật

môi trường, Viện công nghệ Massachusetts, Hoa Kỳ đã nghiên cứu và tìm ra một

phương pháp làm lão hóa nhanh bê tông với tốc độ gấp 3 lần so với các phương

pháp trước đây Một ngày làm lão hóa bê tông trong phòng thí nghiệm tương

đương 300 ngày bê tông bị lão hóa trên thực tế Tuy nhiên, thiết bị này tương đối

phức tạp nên khó có thể áp dụng vào đề tài

2.5 LÝ DO LỰA CHỌN & NHỮNG VẤN ĐỀ CẦN GIẢI QUYẾT CỦA ĐỀ

TÀI

Các nghiên cứu trước đây ở trong nước và trên thế giới khi nghiên cứu ăn mòn

của bê tông đa phần tập trung vào môi trường biển mà chưa đi sâu vào môi

trường chua phèn và ngập mặn Trong khi đó, trên địa bàn TP Hồ Chí Minh và

các tỉnh đồng bằng Sông Cửu long, phần lớn các công trình rơi vào vùng chua

phèn và ngập mặn Thông thường, các nhà thiết kế thường chọn giải pháp thiên

về an toàn là sử dụng xi măng bền sun phát Nếu là công trình đòi hỏi tuổi thọ

cao hay công trình có tính chất quan trọng thì không thành vấn đề nhưng nếu là

công trình có tuổi thọ trên dưới 10 năm thì đôi khi gây nên lãng phí

Thực tế quan sát ở một vài công trình cho thấy, trong cùng điều kiện môi trường

như nhau, sử dụng cùng một loại xi măng nhưng có công trình bị ăn mòn còn công

trình kia thì không Điều này cho thấy loại xi măng sử dụng, hàm lượng xi măng,

sự có mặt hay không có mặt cốt thép, chiều dày lớp bê tông bảo vệ và chính

bản thân môi trường đều là những yếu tố ảnh hưởng đến mức độ ăn mòn của bản

thân kết cấu công trình Trong thực tiễn, một số công trình không có yêu cầu cao

về tuổi thọ, do vậy nếu cứ máy móc áp dụng biện pháp chống ăn mòn là không

cần thiết Khi đó, yêu cầu vật liệu chỉ là loại thông thường vẫn đáp ứng được về

mặt kỹ thuật, do đó sẽ có hiệu quả hơn khi sử dụng loại vật liệu đặc biệt Ngược

lại, đối với các công trình làm việc trong môi trường có tính xâm thực mạnh cần

có sự lựa chọn về chủng loại vật liệu thích hợp để chống ăn mòn Điều này sẽ

góp phần sử dụng một cách tiết kiệm nguồn tài nguyên, vốn là hữu hạn đối với

các quốc gia

Lựa chọn đề tài nghiên cứu này, tác giả mong muốn dựa trên các số liệu nghiên

cứu khoa học để đưa ra các kiến nghị về phạm vi sử dụng và hàm lượng hợp lý

của các loại xi măng phổ biến trên thị trường trong xây dựng các công trình trên

địa bàn các tỉnh đồng bằng Sông Cửu Long Thông qua đề tài nghiên cứu, tác giả

cũng xây dựng phương pháp luận để đánh giá và kiểm chứng chất lượng tổng hợp

của các loại xi măng [32] Từ đó có thể đánh giá và phân loại chất lượng xi măng

một cách định lượng thông qua việc đánh giá tổng hợp các yếu tố riêng lẽ như

cường độ nén trên mẫu đá xi măng, vữa, bê tông, độ giãn nở khi ngâm, thành

phần khoáng Điều này sẽ giúp các nhà thiết kế, người tiêu dùng dễ dàng so

sánh để lựa chọn phương án tối ưu khi sử dụng xi măng

Một trong các kết quả của đề tài là các phương trình hồi quy biểu diễn quan hệ

giữa cường độ nén, uốn của vữa, cường độ nén của bê tông, độ bám dính giữa bê

tông - cốt thép với thời gian và điều kiện môi trường bảo dưỡng ứng với mỗi loại

xi măng nghiên cứu Vấn đề này sẽ giải quyết được việc dự đoán cường độ trước

khi thiết kế hay lựa chọn chủng loại xi măng – một thông tin cực kỳ quan trọng

để lựa chọn phương án tối ưu nhằm giảm giá thành nhưng vẫn đảm bảo độ bền

cho công trình theo như yêu cầu

Để đề tài có ý nghĩa thực tế, cần lựa chọn các loại xi măng tiêu biểu và các vùng

địa lý khác nhau, đại diện cho các mức độ ăn mòn khác nhau ở đồng bằng sông

Cửu Long Từ đó, xác định phạm vi sử dụng của các loại xi măng phổ biến trên

thị trường trong điều kiện môi trường ăn mòn khác nhau ở các tỉnh đồng bằng

sông Cửu Long

Các khuyến cáo về phạm vi sử dụng của các loại xi măng trong đề tài cần dựa

trên các số liệu thử nghiệm cơ lý và phân tích cấu trúc, thành phần hóa học để

phân tích nguyên nhân, chứng minh sự thay đổi của xi măng cũng như các sản

phẩm từ xi măng là bê tông và vữa khi làm việc trong các môi trường ăn mòn

khác nhau liên quan đến tuổi thọ công trình

Đề tài cũng cần đưa ra các bằng chứng khoa học, chứng minh quan điểm: mức độ

ăn mòn không những phụ thuộc vào chủng loại xi măng mà còn phụ thuộc vào

hàm lượng xi măng được sử dụng hay nói cách khác là phụ thuộc vào cường độ

của kết cấu Điều này có một ý nghĩa hết sức quan trọng về mặt kinh tế và kỹ

thuật vì sẽ lựa chọn loại xi măng, hàm lượng xi măng thích hợp, phổ biến nhưng

vẫn đảm bảo độ bền theo yêu cầu cho công trình không chỉ ở những vùng nghiên

cứu mà còn khái quát cho hầu hết các tỉnh ở đồng bằng sông Cửu Long dựa trên

điều kiện môi trường ăn mòn cụ thể ở từng công trình, từng địa phương căn cứ

trên chất lượng nước lấy trong môi trường làm việc của kết cấu

Bên cạnh đó, đề tài nghiên cứu cũng cần đưa ra các khuyến cáo về hàm lượng

hợp lý khi sử dụng các loại xi măng phổ biến trên thị trường trong thiết kế thành

phần cấp phối của vữa và bê tông dùng trong xây dựng Nói một cách khác là

phải xác định hàm lượng xi măng tối thiểu để vữa hay bê tông không chịu được

tác động của môi trường trong suốt thời gian làm việc theo tuổi thọ của công trình

đã đề ra

Do phạm vi nghiên cứu của đề tài tương đối rộng nhưng thời gian không dài nên

cần lựa chọn một phương pháp nghiên cứu tổng hợp, cho phép đánh giá được xu

hướng của kết quả Để đạt được điều này, đề tài đã sử dụng phương pháp quy

hoạch thực nghiệm dựa trên các mẫu nghiên cứu trải dài trong khoảng thời gian

14 đến 196 ngày, kết hợp với mẫu thử đã được đẩy nhanh tốc độ hydrat hóa của

xi măng nhờ vào phương pháp thủy nhiệt (autoclave)

Chương

3

PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU

CHƯƠNG 3 37 3.1 CÁC PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU 37 3.1.1 Phương pháp nhiễu xạ Rơn-ghen (X-ray) 38 3.1.2 Phương pháp phân tích nhiệt (DTA & DTG) 44 3.1.3 Phương pháp quang phổ hồng ngoại (IR) 49 3.1.4 Xác định độ pH .50 3.1.5 Phương pháp kính hiển vi điện tử quét (SEM) 50 3.1.6 Thử nghiệm phân tích thành phần hóa 51 3.1.7 Thử nghiệm các tính chất cơ lý 52 3.1.8 Lý thuyết về quy hoạch thực nghiệm 52 3.1.9 Phương pháp đánh giá tổng hợp 58 3.2 PHƯƠNG PHÁP THỰC NGHIỆM 59 3.2.1 Chọn loại xi măng điển hình 59 3.2.2 Chọn địa phương điển hình 59 3.2.3 Chọn thời điểm nghiên cứu 59 3.2.4 Các phương pháp thực nghiệm 60