(Luận văn thạc sĩ) nghiên cứu thực nghiệm khả năng chống xâm thực chloride của bê tông có sử dụng tro bay và xỉ lò cao

NGHIÊN CỨU THỰC NGHIỆM KHẢ NĂNG CHỐNG XÂM THỰC CHLORIDE CỦA BÊ TÔNG CÓ SỬ DỤNG TRO BAY VÀ XỈ LÒ CAO Học viên: Lê Nguyễn Hoàng Huy, Chuyên ngành: Kỹ thuật Xây dựng công trình DD và CN Mã

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA

LÊ NGUYỄN HOÀNG HUY

NGHIÊN CỨU THỰC NGHIỆM KHẢ NĂNG CHỐNG XÂM THỰC CHLORIDE CỦA BÊ TÔNG

CÓ SỬ DỤNG TRO BAY VÀ XỈ LÒ CAO

LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT

Đà Nẵng - Năm 2020

DUT.LRCC

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA

LÊ NGUYỄN HOÀNG HUY

NGHIÊN CỨU THỰC NGHIỆM KHẢ NĂNG CHỐNG XÂM THỰC CHLORIDE CỦA BÊ TÔNG

CÓ SỬ DỤNG TRO BAY VÀ XỈ LÒ CAO

Chuyên ngành: Kỹ thuật Xây dựng công trình dân dụng và công nghiệp

Mã số: 60.58.02.08

LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT

Người hướng dẫn khoa học: TS NGUYỄN VĂN CHÍNH

Đà Nẵng - Năm 2020

Đà Nẵng - Năm 2018

DUT.LRCC

Tôi cam đoan đây là công trình nghiên cứu của riêng tôi

Các số liệu, kết quả nêu trong luận văn là trung thực và chưa từng được ai

công bố trong bất kỳ công trình nào khác

Người cam đoan

Lê Nguyễn Hoàng Huy

DUT.LRCC

LỜI CAM ĐOAN 3

MỤC LỤC 4

TRANG TÓM TẮT LUẬN VĂN 6

DANH MỤC CÁC BẢNG 9

DANH MỤC CÁC HÌNH 10

MỞ ĐẦU 1

1 Tính cấp thiết của đề tài 1

2 Mục tiêu đề tài 1

3 Đối tượng và phạm vi nghiên cứu 1

4 Phương pháp nghiên cứu 2

5 Kết quả dự kiến 2

6 Cấu trúc luận văn 2

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ TRO BAY VÀ XỈ LÒ CAO 3

1.1 Tổng quan về tro bay 3

1.1.1 Công nghệ đốt than 3

1.1.2 Các tính chất đặc trưng của tro, xỉ nhiệt điện 4

1.1.2.1 Tro bay nhà máy nhiệt điện sử dụng công nghệ đốt PC 4

1.1.2.2 Tro bay nhà máy nhiệt điện sử dụng công nghệ CFBC 4

1.1.3 Thành phần hóa học trong tro bay 5

1.1.4 Sản lượng tro bay 5

1.1.5 Phân loại tro bay 7

1.1.6 Yêu cầu kỹ thuật 8

1.2 Tổng quan về xỉ lò cao 8

1.2.1 Phân loại xỉ lò cao 8

1.2.1.1 Xỉ lò cao làm nguội chậm (xỉ ABFS) 9

1.2.1.2 Xỉ hạt lò cao (xỉ GBF) 9

1.2.2 Đặc tính của xỉ lò cao 9

1.3 Bê tông 12

1.3.1 Đặc tính cơ lý của bê tông 12

1.3.1.1 Cường độ bê tông 12

1.3.1.2 Biến dạng của bê tông 12

DUT.LRCC

1.3.2 Một số đặc tính độ bền của bê tông 12

1.3.2.1 Tính công tác 12

1.3.2.2 Tính co ngót 13

1.4 Các nghiên cứu trong nước và nước ngoài về độ bền chống chloride của bê tông 14 CHƯƠNG 2: ẢNH HƯỞNG CỦA CHLORIDE ĐẾN SỰ HƯ HẠI CỦA KẾT CẤU BÊ TÔNG VÀ CÁC PHƯƠNG PHÁP XÁC ĐỊNH NỒNG ĐỘ CHLORIDE 16

2.1 Ảnh hưởng của ion clo đến sự hư hại của kết cấu BTCT 16

2.1.1 Sự xâm nhập ion clo 16

2.1.2 Sự ăn mòn cốt thép trong bê tông 17

2.1.3 Ngưỡng chloride giới hạn 24

2.2 Các phương pháp xác định nồng độ chloride 25

2.2.1 Phương pháp khoan lấy mẫu bột để xác định nồng độ chloride 25

2.2.2 Phương pháp thí nghiệm nhanh (ASTM C1202/TCVN 9337-2012) 25

CHƯƠNG 3: THÍ NGHIỆM XÁC ĐỊNH KHẢ NĂNG CHỐNG XÂM THỰC CHLORIDE CỦA BÊ TÔNG CÓ SỬ DỤNG TRO BAY VÀ XỈ LÒ CAO 26

Giới thiệu chung 26

Chương trình thí nghiệm 26

3.2.1 Tiêu chuẩn áp dụng 26

3.2.2 Vật liệu, dụng cụ, thiết bị dùng để thí nghiệm 26

3.2.2.1 Vật liệu thí nghiệm 26

3.2.2.2 Dụng cụ, thiết bị thí nghiệm 29

3.2.3 Thành phần cấp phối 34

3.2.4 Đúc mẫu và bảo dưỡng mẫu 35

3.2.4.1 Đúc mẫu 35

3.2.4.2 Bảo dưỡng 38

3.2.5 Thí nghiệm xác định cường độ chịụ nén của các mẫu bê tông 38

3.2.5.1 Quy trình nén mẫu 38

3.2.5.2 Công thức xác định cường độ chịu nén [13] 39

3.2.6 Thí nghiệm xác định khả năng chống xâm thực chloride 40

Kết quả và thảo luận 46

3.3.1 Cường độ chịu nén của bê tông có tro bay và tro xỉ lò cao 46

DUT.LRCC

Kết luận chương 3 50

KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 52

1 Kết luận 52

2 Kiến nghị 52

TÀI LIỆU THAM KHẢO 53

QUYẾT ĐỊNH GIAO ĐỀ TÀI (BẢN SAO)

DUT.LRCC

NGHIÊN CỨU THỰC NGHIỆM KHẢ NĂNG CHỐNG XÂM THỰC CHLORIDE CỦA BÊ TÔNG CÓ SỬ DỤNG TRO BAY VÀ XỈ LÒ CAO

Học viên: Lê Nguyễn Hoàng Huy, Chuyên ngành: Kỹ thuật Xây dựng công trình DD và CN

Mã số: 60.58.02.08 Khóa: K36 Trường Đại học Bách khoa - ĐHĐN

Tóm tắt

Sự xâm nhập của ion clorua là một trong những nguyên nhân chính gây ăn mòn cốt thép trong bê tông làm hư hại kết cấu bê tông cốt thép Độ bền chống thấm ion clo qua bê tông phụ thuộc vào nhiều yếu tố, trong đó có phụ thuộc chủ yếu vào thành phần cấp phối, loại xi măng, loại cốt liệu, Hiện nay có nhiều nghiên cứu để tìm ra các nguồn vật liệu thay thế xi măng nhằm nâng cao độ bền của bê tông

Luận văn nghiên cứu thực nghiệm ảnh hưởng của tro bay và xỉ lò cao đến khả năng chống xâm thực ion clorua của bê tông Tỉ lệ các thành phần cấp phối là xi măng: cát: đá =

1 : 2 : 3 và giữ không đổi trong suốt thí nghiệm Xi măng được thay thế bởi tro bay và xỉ lò cao với tổng khối lượng tro bay và xỉ lò cao thay thế xi măng là 20% Tỉ lệ nước/tổng bột (tổng của xi măng và tro bay, xỉ lò cao) là 0.6 Các thí nghiệm cường độ chịu nén được thực hiện trên mẫu lập phương kích thước 150x150x150mm, các thí nghiệm độ thấm ion clorua được thực hiện trên mẫu hình trụ có đường kính 100mm và chiều dày 50mm Tất cả các thí nghiệm được thực hiện tại các thời điểm 28 ngày, 56 ngày và 120 ngày Kết quả thí nghiệm cho thấy rằng nằm trong giới hạn nghiên cứu của đề tài cường độ chịu nén của các mẫu bê tông có tro bay và xỉ lò cao thay thế 20% xi măng đạt đến cường độ tương đương (với sự giảm cường độ chỉ khoảng 7% so với mẫu đối chứng) hoặc lớn hơn mẫu đối chứng tại thời điểm 120 ngày tuổi Tro bay và xỉ lò cao có thể được sử dụng đồng thời để thay thế 20% xi măng nhằm tăng cường khả năng chống thấm ion clo qua bê tông Nằm trong giới hạn nghiên cứu của đề tài, tác giả đề xuất sử dụng 10% tro bay, 10% xỉ lò cao S95 thay thế xi măng vì góp phần nâng cao khả năng chống thấm ion clo qua bê tông và đảm bảo cường chịu nén gần bằng so với mẫu đối chứng

Từ khóa – bê tông, tro bay; xỉ lò cao, cường độ chịu nén, thấm ion clo

Abstract

Cloride penetration is one of the main factors causing the corrosion of steel in concrete leading to the damage of reinforced concrete structures The chloride resistance of concrete depends on the many factors including mix compositions, cement type, arggregates,….There are many research on the alternative cementitious binder to replace original Portland cement for improving of durability of concrete

The thesis studied the effect of fly ash, GGBS on chloride resistance of concrete The mix proportion was cementitious material (OPC+ fly ash+ GGBS): sand: coarse aggregate: water of 1:2:3:0.6 in which 20% by mass of total cementitious materials of cement was replaced by class F fly ash and GGBS Compressive strength tests were conducted on the cube samples dimension of 150x150x150mm while choloride penetration was conducted on the disc dimension of Dxh =100x50mm Tests were conducted at 28, 56 and 120 days The results shows that within the range of investigation, the compressive strenth of blended concrete is euipvalent to or slightly smaller than (about 7%) the control samples without fly ash ans GGBS at 120 days Both fly ash and GGBS can be used to replace OPC for choloride

DUT.LRCC

compressive strength of concrete

Keywords: concrete, fly ash; blast furnace slag, compressive strength, chloride ion

DUT.LRCC

Số

1.1 Tro bay từ các nhà máy nhiệt điện trong giai đoạn

1.2 Tiêu chuẩn tro bay theo ASTM C618 Trang 7 1.3 Tổng hợp đặc tính của xỉ lò cao Trang 9 2.1 Hàm lượng ion clo tới hạn theo một số tiêu chuẩn Trang 18 3.1 Chỉ tiêu chất lượng của xi măng (Sông Gianh PCB40) Trang 27 3.2 Chỉ tiêu chất lượng tro bay (Loại F Vũng Áng) Trang 27 3.3 Chỉ tiêu chất lượng xỉ lò cao (S95 Hòa Phát) Trang 28 3.4 Chỉ tiêu chất lượng đá 1x2 (Phước Tường, Đà Nẵng) Trang 28 3.5 Chỉ tiêu chất lượng cát (Túy Loan, Đà Nẵng) Trang 28 3.6 Thành phần tỉ lệ cấp phối bê tông Trang 35

3.9 Thông số kỹ thuật máy nén mẫu SYE 2000 Trang 40 3.10 Cường độ chịu nén của hỗn hợp bê tông Trang 46 3.11 So sánh cường độ chịu nén của hỗn hợp bê tông các mẫu M2,

3.12 Kết quả thí nghiệm đo thấm ion clo qua bê tông Trang 48

DUT.LRCC

Số

hiệu

1.2 Sự tương phản về kích thước giữa các hạt tro bay hình cầu lớn

và các hạt nhỏ

Trang 5

1.3 Biểu diễn đặc trưng dạng cầu của các hạt trong khoảng kích

thước thường thấy nhiều hơn

3.7 Máy thí nghiệm cường độ chịu nén mẫu bê tông Trang 31

3.11 Dụng cụ hút chân không mẫu bê tông Trang 33 3.12 Máy khoan, cắt gia công mẫu bê tông Trang 34

3.20 Trộn cấp phối bê tông Trang 37

DUT.LRCC

3.22 Chuẩn bị khuôn thép Trang 38

3.25 Máy nén mẫu SYE 2000 tại PTN kết cấu công trình Trang 39

3.27 Gia công khoan mẫu thử hình trụ đường kính 100mm Trang 41

3.32 Lắp mẫu thử bê tông giữa 2 ngăn Trang 43 3.33 Thí nghiệm đo độ thấm ion clo trong bê tông Trang 43

3.35 Thí nghiệm đo độ thấm ion clo trong bê tông mẫu M1, M2 Trang 44

3.37 Thí nghiệm đo độ thấm ion clo trong bê tông mẫu M3, M4 Trang 45

3.39 Thí nghiệm đo độ thấm ion clo trong bê tông mẫu M5, M6 Trang 45 3.40 Biểu đồ cường độ chịu nén của các hỗn hợp bê tông Trang 47 3.41 Biểu đồ độ thấm ion clo các hỗn hợp bê tông Trang 49

DUT.LRCC

MỞ ĐẦU

1 Tính cấp thiết của đề tài

Sự xâm thực ion clo qua lớp bê tông là nguyên nhân chính gây ăn mòn hư hại cốt thép trong bê tông, từ đó làm giảm tuổi thọ của cấu kiện bê tông [1] Đồng thời, để tăng cường sử dụng rộng rãi hơn nữa các loại chất thải công nghiệp trộn vào bê tông như tro bay, xỉ lò cao, làm giảm tỉ lệ xi măng trong bê tông Mặt khác, giải quyết được đầu ra cho các loại chất thải công nghiệp giảm ô nhiễm môi trường

Tro bay là loại thải phẩm bụi mịn thu được tại bộ phận lắng bụi khí thải của nhà máy nhiệt điện từ quá trình đốt than Tro bay là một loại puzzolan nhân tạo, là tro đốt của than cám nên bản thân nó đã rất mịn, có cỡ hạt từ 1 - 10μm, trung bình 9 - 15μm Tro bay được phân ra hai loại với các đặc điểm khác nhau: loại C có hàm lượng CaO

≥ 10% và thường bằng 15 - 35% Đó là sản phẩm đốt than hoặc than chứa bitum, chứa ít than chưa cháy, thường < 2% Loại F có hàm lượng CaO < 10%, thu được từ việc đốt than antraxit hoặc than chứa bitum, có hàm lượng than chưa cháy nhiều hơn, khoảng 2 - 10% [2]

Nhờ độ mịn cao, độ hoạt tính lớn cộng với lượng silic tinh ròng (SiO2) có rất nhiều trong tro bay, nên khi kết hợp với ximăng portland hay các loại chất kết dính khác sẽ tạo ra các sản phẩm bê tông với độ cứng vượt trội (mác cao) có khả năng chống thấm cao, tăng độ bền với thời gian, không nứt nẻ, giảm độ co gãy, có tính chống kiềm và tính bền sulfat, dễ thao tác, rút ngắn tiến độ thi công do không phải

xử lý nhiệt Ngoài ra, nó còn giảm nhẹ tỉ trọng của bê tông một cách đáng kể [2]

Xỉ lò cao là rác thải của ngành công nghiệp luyện gang thép, thải phẩm ở dạng hạt có đường kính từ 10 ÷ 200 mm Đây là sản phẩm phụ của quá trình luyện quặng oxit sắt thành gang Hiện nay, nó là vật liệu phổ biến được dùng trong sản xuất xi măng xỉ lò cao trên thế giới Việc tận dụng phế thải xỉ lò cao trong sản xuất xi măng

đã góp phần vào việc xử lý nguồn phế thải công nghiệp vì xi măng xỉ lò cao thực sự

có nhiều tính chất đặc biệt như bền trong môi trường nước biển, bền sunfat, ít toả nhiệt, phù hợp với bê tông khối lớn, chống thấm tốt…[3]

Sự phát triển của công nghệ sản xuất bê tông trên cơ sở các chất thải công nghiệp hóa chất và luyện kim đã qua xử lý mở ra cơ hội lớn để tiết kiệm xi măng pooclăng

và tiết kiệm nguồn năng lượng sản xuất Công nghệ này đạt hiệu quả kinh tế kỹ thuật

to lớn, do năng lượng tiêu hao, giá thành cũng như các chi phí cơ bản khác giảm nhiều lần Hơn nữa, hiệu quả xã hội, sinh thái của công nghệ cũng không nhỏ

Từ những phân tích trên, để cải thiện khả năng chống thấm ion clo bền trong môi trường xâm thực và tận dụng nguồn nguyên liệu tro bay, xỉ lò cao giúp giải quyết một lượng đáng kể chất thải từ các nhà máy gang thép, nhiệt điện Tác giả lựa chọn đề tài

“Nghiên cứu thực nghiệm khả năng chống xâm thực Chloride của bê tông có sử dụng tro bay và xỉ lò cao”

2 Mục tiêu đề tài

Đánh giá ảnh hưởng của tro bay và xỉ lò cao đến khả năng chống xâm thực chloride của bê tông (tổng khối lượng tro bay và xỉ lò cao thay thế xi măng là 20% trong đó tỉ lệ thay thế của từng thành phần là 5%, 10%, 15%, 20%)

3 Đối tượng và phạm vi nghiên cứu

Các loại vật liệu: (i) Tro bay (từ nhà máy Nhiệt điện Vũng Áng Hà Tĩnh); (ii) Xỉ

lò cao S95 Hòa Phát; (iii) Cát tại bãi cát Túy Loan (huyện Hòa Vang, thành phố Đà

DUT.LRCC

Nẵng); (iv) Đá tại mỏ đá Phước Tường (quận Cẩm Lệ, thành phố Đà Nẵng); (vi) Xi măng Sông Gianh

Thí nghiệm đánh giá ảnh hưởng của tro bay và xỉ lò cao đến khả năng chống xâm thực ion clo của bê tông đến 28, 56, 120 ngày

Xem xét mức độ ảnh hưởng của tro bay hay xỉ lò cao lớn hơn đối với sự kháng xâm thực ion clo của bê tông, từ đó tìm ra tỉ lệ tốt nhất giữa tro bay và xỉ lò cao trong việc thay thế tổng tỉ lệ 20% xi măng

4 Phương pháp nghiên cứu

Thực hiện các thí nghiệm dựa trên tiêu chuẩn Việt Nam TCVN 9337:2012 Bê tông nặng – xác định độ thấm ion bằng phương pháp đo điện lượng; TCVN 3105:1993 – Hỗn hợp bê tông nặng và bê tông nặng – lấy mẫu, chế tạo và bão dưỡng mẫu; TCVN 3106:1993 - Hỗn hợp bê tông nặng – Phương pháp thử độ sụt; TCVN 3115:1993 -

Bê tông nặng – Phương pháp xác định khối lượng thể tích; TCVN 3118:1993 - Bê tông nặng – Phương pháp xác định cường độ nén

Thí nghiệm khả năng kháng xâm thực ion clo của bê tông có thành phần tỷ lệ ro bay và xỉ lò cao thay thế xi măng là 20% trên tổng lượng bột

Phân tích và thảo luận các kết quả thí nghiệm

Đánh giá sự ảnh hưởng của tro bay và xỉ lò cao đến khả năng chống xâm thực ion clo của bê tông

5 Kết quả dự kiến

Xác định khả năng sử dụng tro bay và xỉ lò cao trong bê tông để cải thiện khả năng kháng xâm thực ion clo của bê tông

Đưa ra các kiến nghị, ứng dụng trong thiết kế thành phần cấp phối bê tông

6 Cấu trúc luận văn

Ngoài phần mở đầu, kết luận và tài liệu tham khảo, luận văn gồm có các chương như sau:

Chương 1: Tổng quan về tro bay, tro xỉ lò cao và bê tông

Chương 2: Ảnh hưởng của chloride đến sự hư hại của kết cấu bê tông và các phương pháp xác định nồng độ chloride

Chương 3: Thí nghiệm xác định khả năng chống xâm thực chloride của bê tông

có sử dụng tro bay và tro xỉ lò cao

DUT.LRCC

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ TRO BAY VÀ XỈ LÒ CAO

1.1 Tổng quan về tro bay

Quá trình đốt than để vận hành các nhà máy nhiệt điện (NMNĐ) thải ra các sản phẩm cháy bao gồm: Tro đá (xỉ đá lò) hay còn gọi là xỉ, là các hạt thô, to thu được ở

đá lò đốt; Tro bay là các hạt tro mịn lên được thu lại tại lọc bụi; Thạch cao, là sản phẩm của quá trình khử khí SO2 trong khói khi đốt Thông thường lượng tro bay chiếm khoảng 80 - 90 %, còn xỉ chỉ chiếm khoảng 10 - 20% [4]

1.1.1 Công nghệ đốt than

Hiện nay, các nhà máy nhiệt điện đốt than tại Việt Nam đang sử dụng một trong hai loại công nghệ đốt: Công nghệ lò đốt than phun – PC (Pulverised combustion) và Công nghệ lò hơi tầng sôi tuần hoàn - CFB (Circulating Fluidizing Bed) [4]

1.1.1.1 Công nghệ đốt than phun PC

Than đạt yêu cầu chất lượng đươc nhập về nhà máy, chứa trong các kho, trong kho có hệ thống đảo trộn để đồng nhất than phục vụ quá trình đốt Than được nghiền mịn trên máy nghiền sấy liên hợp đến cỡ hạt ≤ 0,09mm chuyển đến các két chứa Than mịn được hệ thống cấp liệu, định lượng chuyển đến vòi phun than, phun vào lò

và bị đốt cháy trong không gian của lò hơi Nhiệt độ trong lò đốt khoảng 1400oC- 1600oC nhằm mục đích gia nhiệt cho nước hóa hơi sinh áp lực để cấp cho tua bin sinh công, phát điện [4]

Than cháy để lại tro than, một phần quá nhiệt nóng chảy biến thành xỉ rơi xuống ống đá lò được làm lạnh bằng nước, phần lớn tro than mịn theo gió lò vào lọc bụi điện để giữ lại, khí sạch thải ra môi trường Tùy theo hàm lượng lưu huỳnh có trong than và yêu cầu khử khí SO2 mà các nhà máy nhiệt điện có thêm hệ thống FGD (Flue

- Gas Desulfurization G ps m) để hấp thụ khí SO2 hoặc SWFGD (Sea water flue Gas Desulfurization) Hệ thống FGD hoạt động sử dụng dung dịch đá vôi để hấp thụ khí SO2 và phát sinh bã thải thạch cao, hệ thống sử dụng nước biển SWFGD không phát sinh bã thải thạch cao Đối với công nghệ đốt than phun PC, thạch cao FGD phát sinh

và được thải ra riêng biệt với tro bay [4]

1.1.1.2 Công nghệ đốt than tầng sôi - CFB

Công nghệ này sử dụng khi than có chất lượng thấp (nhiệt trị thấp) và hàm lượng lưu huỳnh cao Than đáp ứng yêu cầu sử dụng được nhập về nhà máy chứa trong các kho có thể đảo trộn hoặc phối trộn các mỏ để đồng nhất Than được gia công trên má đập ú đến cỡ hạt <10 mm chứa trong các két có hệ thống cấp và định lượng ở đáy

Đá vôi có chất lượng đạt yêu cầu cũng được gia công đến cỡ hạt <10 mm chứa trong két có hệ thống cấp liệu và định lượng ở đáy [4]

Than và đá vôi được cấp vào lò đốt tầng sôi tuần hoàn để sinh nhiệt cấp cho nước hóa thành hơi có áp suất lớn cấp cho tua bin sinh công, phát điện Than cháy sinh nhiệt, cùng đá vôi được tuần hoàn trong buồng đốt phản ứng với khí SO2 của khói là chuyển thành CaSO4 Khói lò cùng tro mịn thu vào lọc bụi tĩnh điện thu được tro bay, khí sạch thải ra môi trường theo ống khói Các hạt tro than to và đá vôi đã hoặc chưa phản ứng hết rơi xuống đáy lò ra ngoài thành tro đáy (xỉ) [4]

Đối với các nhà máy sử dụng công nghệ CFB, thạch cao luôn luôn được thải ra lẫn lộn cùng với tro bay Việc thải lẫn tro bay và thạch cao của các nhà máy dùng công nghệ CFB dẫn đến khó phân tách thạch cao ra khỏi tro bay dẫn tới khó khăn trong qúa trình sử dụng làm nguyên liệu sản xuất vật liệu xây dựng [4]

DUT.LRCC

1.1.2 Các tính chất đặc trưng của tro, xỉ nhiệt điện

Theo công nghệ đốt than của nhà máy nhiệt điện tại Việt Nam, tro, xỉ nhiệt điện được phân làm 2 loại [4]:

- Tro, xỉ nhiệt điện theo công nghệ đốt than phun PC;

- Tro, xỉ nhiệt điện theo công nghệ đốt than tầng sôi CFB

Trong đó chủ yếu là các nhà máy nhiệt điện sử dụng công nghệ PC Theo quy hoạch điện VII thì đến năm 2020 và 2030 thì công suất của các nhà máy nhiệt điện

sử dụng công nghệ đốt than tầng sôi nước ta chỉ chiếm khoảng 10% trên tổng tổng công suất của các nhà máy nhiệt điện than [4]

1.1.2.1 Tro bay nhà máy nhiệt điện sử dụng công nghệ đốt PC

Tro được hình thành do các quá trình đốt than đã được nghiền mịn ở nhiệt độ cao 14000 C-16000 C, do vậy tro thu được gồm hỗn hợp các hạt bị nóng chảy và các hạt than chưa cháy hết Phần vật liệu bị nóng chảy khi được làm lạnh nhanh tạo thành chủ yếu pha thủy tinh và các hạt hình cầu, ngoài ra còn một lượng nhỏ pha tinh thể [4]

Các hạt tro bay hình cầu có thể là hạt cầu rỗng (chứa nhiều hạt cầu con trong nó) hoặc là các hạt cầu đặc Pha thủy tinh chiếm khoảng (60-90)% khối lượng tro bay Pha thủy tinh và pha tinh thể không hoàn toàn độc lập với nhau mà thường pha trộn lẫn, thông thường pha tinh thể nằm trong cấu trúc pha thủy tinh hoặc gắn liền với bề mặt các hình cầu của pha thủy tinh Do vậy, cấu trúc tổng thể của tro bay là phức tạp và pha trộn [4]

Xỉ được hình thành cùng với quá trình hình thành tro bay, tuy nhiên khi tro than nóng chảy kết thành tảng có kích thước lớn rơi xuống đá lò và được làm lạnh nhanh bằng nước nên thành phần chủ yếu là pha thủy tinh và lẫn rất ít than chưa cháy [4]

1.1.2.2 Tro bay nhà máy nhiệt điện sử dụng công nghệ CFBC

Quá trình đốt than tầng sôi ở nhiệt độ khoảng 800oC - 900oC và được đốt tuần hoàn rất lâu trong lò đốt Các hạt than được đốt cháy, một phần tro than vỡ ra rất mịn

và nhẹ bay lên cùng khí nóng gọi là tro bay (trong tro bay có lẫn cả than mịn chưa cháy hết), phần tro than dạng hạt to (hạt cát) rơi xuống đáy được làm lạnh nhanh gọi

Hình 1.1 Tro bay

DUT.LRCC

1.1.3 Thành phần hóa học trong tro bay

Tro của các nhà máy nhiệt điện gồm chủ yếu các sản phẩm tạo thành từ quá trình phân hủy và biến đổi của các chất khoáng có trong than đá Thông thường, tro

ở đáy lò chiếm khoảng 25% và tro bay chiếm khoảng 75% tổng lượng tro thải ra [5] Hầu hết các loại tro bay đều là các hợp chất silicat bao gồm các oxit kim loại như SiO2, Al2O3, Fe2O3, TiO2, MgO, CaO,… với hàm lượng than chưa cháy chỉ chiếm một phần nhỏ so với tổng hàm lượng tro, ngoài ra còn có một số kim loại nặng như

Cd, Ba, Pb, Cu, Zn, Thành phần hóa học của tro bay phụ thuộc vào nguồn nguyên liệu than đá sử dụng để đốt và điều kiện đốt cháy trong các nhà máy nhiệt điện [5]

1.1.4 Cấu trúc hình thái của tro bay

Hầu hết các hạt tro bay đều có dạng hình cầu với các kích thước hạt khác nhau, các hạt có kích thước lớn thường ở dạng bọc và có hình dạng rất khác nhau Các hạt tro bay được chia ra làm hai dạng: dạng đặc và dạng rỗng Thông thường, các hạt tro bay hình cầu, rắn được gọi là các hạt đặc và các hạt tro bay hình cầu mà bên trong rỗng có tỷ trọng thấp hơn 1,0 g/cm3 được gọi là các hạt rỗng Một trong các dạng thường thấy ở tro bay thường được tạo nên bởi các hợp chất có dạng tinh thể như thạch anh, mulit và hematit, các hợp chất có dạng thủy tinh như thủy tinh oxit silic và các oxit khác [6]

Các hạt tro bay đặc có khối lượng riêng trong khoảng 2,0 - 2,5 g/cm3 có thể cải thiện các tính chất khác nhau của vật liệu nền như độ cứng và độ bền xé Các hạt tro bay rỗng có thể được sử dụng trong tổng hợp vật liệu compozit siêu nhẹ do khối lượng riêng rất nhỏ của chúng, chỉ khoảng 0,4-0,7 g/cm3, trong khi các chất nền kim loại khác có khối lượng riêng trong khoảng từ 1,6-11,0 g/cm3 , xem hình 1.2 và hình 1.3

1.1.5 Sản lượng tro bay trong và ngoài nước

Nhu cầu tiêu thụ điện năng trên thế giới không ngừng tăng lên theo tốc độ phát triển của nền kinh tế Các nguồn cung cấp điện năng mới hiện nay đang phát triển nhanh chóng phải kể đến như năng lượng mặt trời, năng lượng gió, năng lượng thủy điện,… Tuy có nhiều ưu điểm và được khuyến khích sử dụng nhưng các nguồn cung cấp điện năng này hiện nay mới chỉ đáp ứng được một lượng rất nhỏ nhu cầu điện năng toàn cầu và chỉ tập trung ở một vài nước phát triển Nguồn cung cấp điện năng

DUT.LRCC

chủ yếu vẫn dựa trên các nguồn truyền thống, sử dụng nhiên liệu hóa thạch chiếm một tỷ trọng lớn [7]

Mỹ là một trong các quốc gia tiêu thụ điện năng hàng đầu thế giới và cũng là nước có sản lượng các sản phẩm từ quá trình đốt cháy than đá trong các nhà máy nhiệt điện lớn của thế giới Năm 2007, Mỹ đã tạo ra hơn 125 triệu tấn các sản phẩm

từ than đá bao gồm tro bay, tro đáy lò, xỉ lò,… Phần trăm sử dụng tro bay ở Mỹ đã giảm trong những năm 2007 - 2010, nhưng sau đó tỷ lệ sử dụng tro bay lại tăng [7] Trung Quốc là nước đứng đầu về sản xuất điện năng từ than đá, do vậy lượng tro bay tạo ra từ việc đốt than đá cũng rất lớn Năm 2009, công suất phát điện và điện năng của các nhà máy nhiệt điện đều tăng khoảng 7-8% Mặc dù, lượng tiêu thụ than

đã được giảm xuống bằng cách nâng cao hiệu quả của máy phát điện, nhưng lượng tro bay tạo ra vẫn duy trì đà tăng Năm 2010, lượng tro bay tạo ra là 480 triệu tấn và với tốc độ tăng trưởng 20 triệu tấn mỗi năm, dự kiến lượng tro bay tạo ra ở Trung Quốc hiện nay đạt trên 500 triệu tấn [8]

Ở Ấn Độ, một lượng lớn tro bay tạo ra trong quá trình đốt cháy than của các nhà máy nhiệt điện Lượng tro bay tạo ra hàng năm liên tục tăng từ khoảng 1 triệu tấn vào năm 1947 lên khoảng 40 triệu tấn trong năm 1994 và năm 2012 vào khoảng 131 triệu tấn Kể từ 1996-97 đến 2010-11, lượng tro bay sử dụng vào trong các lĩnh vực công nghiệp cũng tăng (năm 1996-1997 là 9,63% đến năm 2010-2012 là 56%) Năm 2009-

2010 ở Ấn Độ đạt được mức độ sử dụng tro bay cao nhất 63% [9]

Khi lượng than đá sử dụng trong các nhà máy nhiệt điện càng nhiều thì các sản phẩm phụ của quá trình đốt cháy nhiên liệu như xỉ than hay tro bay sinh ra cũng tăng theo Thống kê của các nhà khoa học Hy Lạp cho thấy lượng tro bay sinh ra gần như

tỷ lệ tuyến tính với lượng nhiên liệu than đá được sử dụng [10]

Ở Việt Nam, phần lớn các nhà máy nhiệt điện đốt than chủ yếu tập trung ở phía Bắc, do gần nguồn than Tổng công suất các nhà máy nhiệt điện đang vận hành tính

ở thời điểm 2010 là 4.250 MW [11] và dự kiến vào năm 2020 sẽ là 7.240 MW Tro bay từ các nhà máy nhiệt điện trong giai đoạn 2010-2030 được nêu trong bảng 1.1

Bảng 1.1: Tro bay từ các nhà máy nhiệt điện trong giai đoạn 2010-2020 Stt Năm Công suất,

MW

Tiêu thụ than, triệu tấn/năm Lượng tro bay, triệu tấn/năm

sử dụng [11]

Với suất tiêu hao than trung bình khoảng 500 g/kWh Trong khi đó, các nhà máy sản xuất xi măng, vật liệu xây dựng, các công trình xây dựng đang có nhu cầu rất lớn về sử dụng tro bay và hoàn toàn có thể tiêu thụ hết số tro bay được xử lý từ sản xuất điện [12] Để giải quyết các vấn đề này, Thủ tướng Chính phủ đã có Quyết định 1696/QĐ-TTg ngày 23/9/2014 về một số giải pháp xử lý tro, xỉ, thạch cao của các nhà máy nhiệt điện, nhà máy phân bón hóa chất để sản xuất vật liệu xây dựng

DUT.LRCC

Đây là cơ sở pháp lý quan trọng cho các giải pháp, tổ chức thực hiện xử lý để sử dụng nguồn phế thải này làm nguyên liệu sản xuất vật liệu xây dựng [11]

1.1.6 Phân loại tro bay

Theo tiêu chuẩn Việt Nam TCVN 10302 – 2014: Phụ gia hoạt tính tro bay dùng cho bê tông, vữa xây và xi măng thì tro bay được phân loại như sau [13]:

- Theo thành phần hóa học, tro bay được phân thành 2 loại: (i) Tro axit: tro có hàm lượng canxi oxit đến 10 %, ký hiệu: F; (ii) Tro bazơ: tro có hàm lượng canxi oxit lớn hơn 10 %, ký hiệu: C

- Theo mục đích sử dụng, tro bay được phân thành 2 loại: (i) Tro bay dùng cho

xi măng; (ii) Tro bay dùng cho bê tông và vữa xây

Theo cách phân loại của Canada, tro bay được chia làm ba loại như sau [14]:

- Loại F: Hàm lượng CaO ít hơn 8%

- Loại CI: Hàm lượng CaO lớn hơn 8% nhưng ít hơn 20%

- Loại C: Hàm lượng CaO lớn hơn 20%

Trên thế giới hiện nay, tro bay thường được phân loại theo tiêu chuẩn ASTM C618 Theo cách phân loại này thì phụ thuộc vào thành phần các hợp chất mà tro bay được phân làm hai loại là loại C và loại F, được nêu trong bảng 1.2 [15]

Bảng 1.2: Tiêu chuẩn tro bay theo ASTM C618 [15]

Các yêu cầu theo tiêu chuẩn ASTM C618 Đơn

vị

Lớn nhất /nhỏ nhất

Nhóm

F

Nhóm

C Yêu cầu hóa học

SiO2 + Al2O3 + Fe2O3 % nhỏ nhất 70 50

Hàm lượng mất khi nung % lớn nhất 5 5

Yêu cầu hóa học không bắt buộc

DUT.LRCC

1.1.7 Yêu cầu kỹ thuật

Tro bay dùng cho bê tông và vữa cần đáp ứng chỉ tiêu chất lượng quy định tại bảng 1 của TCVN 10302:2014

Tro bay dung xi măng cần đáp ứng chỉ tiêu chất lượng quy định tại bảng 2 của TCVN 10302:2014

1.2.1 Phân loại xỉ lò cao

Xỉ lò cao được tạo ra trong quá trình sản xuất gang Tùy thuộc vào quy trình làm nguội, xỉ lò cao được chia thành hai loại:

- Xỉ lò cao làm nguội chậm (viết tắt là xỉ ABFS), được làm nguội tự nhiên nhờ không khí hoặc nước;

- Xỉ hạt lò cao (viết tắt là xỉ GBFS), được làm nguội nhanh bằng nước Sơ đồ công nghệ quá trình tạo ra xỉ lò cao xem hình 1.4 [17]

DUT.LRCC

Hình 1.5 Sơ đồ công nghệ quá trình tạo ra xỉ lò cao

1.2.1.1 Xỉ lò cao làm nguội chậm (xỉ ABFS)

Xỉ nóng chảy hình thành từ lò cao được tháo ra sân (bãi) làm nguội Tại đây, xỉ nóng chảy được làm nguội tự nhiên hoặc phun nước, chúng đông cứng thành dạng giống như đá với cấu trúc tinh thể Xỉ lò cao làm nguội chậm thường được nghiền và sàng thành cỡ hạt yêu cầu để làm cốt liệu cho bê tông, vật liệu hạt cho san lấp và rải đường

1.2.1.2 Xỉ hạt lò cao (xỉ GBF)

Xỉ nóng chảy hình thành từ lò cao được tháo chảy ra các mương dẫn và được phun nước với áp lực cao để làm lạnh nhanh tạo nên các hạt giống như hạt cát có cấu trúc xốp Các hạt xỉ này trộn với nước tạo nên hỗn hợp lỏng được bơm ra bãi khử nước, tại đó các hạt xỉ được róc nước tự nhiên

1.2.2 Đặc tính của xỉ lò cao

Đặc tính cơ bản của xỉ lò cao được nêu trong bảng 1.3 [17]

Bảng 1.3 Tổng hợp đặc tính của xỉ lò cao Đặc tính Xỉ lò cao làm nguội chậm (ABFS) Xỉ hạt lò cao (GBFS)

Mô tả

chung

Xỉ ABFS có bề mặt thô, nhiều lỗ rỗng

và góc cạnh; khối lượng thể tích nhẹ hơn và độ hút nước lớn hơn so với đá dăm tự nhiên Xỉ ABFS có chất lượng thay đổi tùy thuộc vào mỗi nhà máy

và lô sản xuất, do tính chất vật lý của

nó thay đổi phụ thuộc vào độ dày của lớp xỉ nóng chảy và phương pháp làm nguội

Xỉ hạt lò cao có hình dạng bên ngoài giống với cát thô, hầu hết có cỡ hạt nhỏ hơn 5

mm, ít hạt mịn Xỉ hạt lò cao có thành phần chủ yếu ở dạng thủy tinh với các hạt rất góc cạnh

DUT.LRCC

Thành

phần hóa Do cùng nguồn gốc nên thành phần hóa của xỉ ABFS và xỉ hạt lò cao giống nhau

Thành phần hóa của xỉ lò cao thông thường gồm canxi oxýt (CaO) và silic oxýt (SiO2) là các thành phần chính Chúng chứa nhiều vôi khi

so sánh với đất và đá trong tự nhiên Ngoài ra chúng còn chứa nhôm oxýt (Al2O3) và magiê oxýt (MgO)

Thành

phần hạt Thường được gia công cỡ hạt bằng cách nghiền và sàng thành cỡ hạt nhất

định theo mục đích ứng dụng

Cỡ hạt chuẩn của xỉ hạt lò cao giống như cỡ hạt cát, hầu hết nhỏ hơn 5 mm và rất ít hạt mịn Kết quả phân tích thành phần hạt của xỉ hạt lò cao từ của một số nhà máy gang thép tại Việt Nam thể hiện trong Hình 1.6

Khối lượng thể tích của xỉ hạt lò cao trong khoảng 2,25-2,95 g/cm3

1300 kg/m3

Khối lượng thể tích xốp của

xỉ hạt lò cao trong khoảng 800-1300 kg/m3, nhỏ hơn so với cát tự nhiên, với mức độ dao động cũng lớn hơn, khoảng 80-130 kg/m3

Xỉ hạt lò cao có độ ổn định cao khi sử dụng làm cốt liệu cho bê tông xi măng và trong xây dựng

Độ hút

nước

Độ hút nước của xỉ ABFS khoảng 1,0 đến 6,0 % (phổ biến là 3-4 %), cao hơn so với đá dăm tự nhiên

Độ hút nước của xỉ hạt lò cao khoảng 2,0 đến 6,0 % (phổ biến là 2-4 %), cao hơn

so với đá dăm tự nhiên

Tính chất

cơ học

Cường độ, tính chống mài mòn, va đập của cốt liệu xỉ lò cao ở mức thấp hơn so với cốt liệu tự nhiên

_

DUT.LRCC

Góc nội

ma sát

Do xỉ ABFS có bề mặt thô và hình dạng góc cạnh, nên góc nội ma sát của xỉ hạt lò cao lớn khoảng 40-45o, lớn hơn của đá tự nhiên nghiền Tính chất này mang lại ưu điểm khi sử dụng xỉ lò cao làm nguội chậm làm vật liệu đắp nền

Do xỉ hạt lò cao có bề mặt thô và hình dạng góc cạnh, nên góc nội ma sát của xỉ hạt lò cao lớn khoảng 40-

45o, lớn hơn của cát tự nhiên Tính chất này mang lại ưu điểm khi sử dụng xỉ hạt lò cao làm vật liệu đắp nền

Tính

thủy lực Một lượng rất nhỏ canxi oxýt (CaO) và silic oxýt (SiO2) trong xỉ ABFS

khi tiếp xúc với nước tạo ra sản phẩm thủy hóa dạng CSH làm đặc chắc bề mặt hạt xỉ Ngoài ra, khi có mặt Al2O3 hoạt tính trong môi trường kiềm thì cũng sẽ tạo sản phẩm thủy hóa dạng CASH do vậy chúng làm đặc chắc cấu trúc hạt xỉ và dính kết các hạt xỉ tạo ra cường độ của khối vật liệu xỉ theo thời gian

Xỉ hạt lò cao có hoạt tính mạnh do cấu trúc dạng thủy tinh, chúng có thể tạo sản phẩm thủy hóa đặc chắc trong môi trường kiềm Do

có tính thủy lực tiềm ẩn này,

xỉ hạt lò cao có khả năng dính kết với nhau thành một khối vật liệu có cường độ

Hình 1.6 Thành phần hạt xỉ hạt lò cao một số nhà máy gang thép tại Việt Nam Quy trình sản xuất xỉ hạt lò cao nghiền mịn không quá phức tạp và khá phổ biến tại nhiều quốc gia phát triển trên thế giới Sau khi được đưa vào dây chuyền nghiền,

xỉ hạt được nghiền mịn đến tỷ diện lớn hơn 5.000 cm2/g, đạt tiêu chuẩn loại S95 theo TCVN 11586:2016, mịn hơn xi măng và trở thành một loại phụ gia khoáng hoạt tính rất tốt cho xi măng, bê tông và vữa

DUT.LRCC

1.3 Bê tông

Bê tông là đá nhân tạo, được chế tạo từ các vật liệu rời (cát, đá, sỏi) và chất kết dính (thường là xi măng), nước và có thể thêm phụ gia Vật liệu rời còn gọi là cốt liệu [18]

1.3.1 Đặc tính cơ lý của bê tông

Các đặc tính cơ lý của bê tông bao gồm: tính cơ học và tính vật lý Tính cơ học nghiên cứu về cường độ (kéo, nén, ), biến dạng Tính vật lý nghiên cứu về tính công tác, co ngót, từ biến, chống thấm nước, chống ăn mòn, Trong giới hạn đề tài chỉ nghiên cứu đến cường độ chịu nén và khả năng chống thấm ion clo của bê tông [17] Tính năng cơ lý của bê tông phụ thuộc phần lớn vào: chất lượng xi măng, đặc trưng của cốt liệu, thành phần cấp phối, tỷ lệ nước/xi măng, biện pháp thi công [17]

1.3.1.1 Cường độ bê tông

Cường độ là đặc tính cơ học chủ yếu của bê tông, là chỉ tiêu quan trọng thể hiện khả năng chịu lực của bê tông Để xác định cường độ của bê tông thường dùng thí nghiệm mẫu Xác định cường độ của bê tông theo thời gian theo tiêu chuẩn TCVN 3118:1993 [17]

a Cường độ chịu nén

Cường đô chịu nén của bê tông là khả năng chịu ứng suất nén của mẫu bê tông Mẫu có thể chế tạo bằng các cách khác nhau: lấy hỗn hợp bê tông đã được nhào trộn

để đúc mẫu hoặc dùng thiết bị chuyên dùng khoan lấy mẫu từ kết cấu có sẵn Mẫu để

đo cường độ có kích thước 150x150x150 (mm), được thực hiện theo điều kiện tiêu chuẩn trong thời gian 28 ngày [17]

b Cường độ chịu kéo

Mẫu chịu kéo có tiết diện vuông cạnh a, chiều dài 4a:

Cường độ chịu kéo của bêtông xác định theo:

Gọi: Np lực làm mẫu bị phá hoại

A diện tích tiết diện ngang của mẫu

Rt cường độ chịu kéo của mẫu

Rt = Np / A

1.3.1.2 Biến dạng của bê tông

Bê tông bị biến dạng gồm có: biến dạng ban đầu do co ngót, biến dạng do tác dụng của tải trọng, của nhiệt độ và biến dạng do từ biến [17]

1.3.1.3 Độ bền chống thấm ion clo

Ion clo là nguyên nhân chính gây ăn mòn kết cấu bê tông cốt thép sử dụng ở môi trường biển Sự xâm nhập của ion clo qua lớp bê tông bảo vệ thúc đẩy quá trình

ăn mòn cốt thép, ảnh hưởng đến khả năng chịu lực của kết cấu [22]

Việc đánh giá độ thấm ion clo qua bê tong được xác định bằng phương pháp đo điện lượng theo TCVN 9337-2012 [19]

1.3.2 Một số đặc tính độ bền của bê tông

1.3.2.1 Tính công tác

Tính công tác hay còn gọi là tính dễ tạo hình, là tính chất kỹ thuật cơ bản của hỗn hợp bê tông, nó biểu thị khả năng lấp đầy khuôn nhưng vẫn đảm bảo được độ đồng nhất trong một điều kiện đầm nén nhất định Để đánh giá tính công tác của hỗn hợp bê tông người ta thường dùng hai chỉ tiêu đó là độ lưu động và độ cứng [20]

Độ lưu động là chỉ tiêu quan trọng nhất của hỗn hợp bê tông, nó đánh giá khả năng dễ chảy của hỗn hợp bê tông dưới tác dụng của trọng lượng bản thân hoặc rung

DUT.LRCC

động Độ lưu động được xác định bằng độ sụt (SN, cm) của khối hỗn hợp bê tông trong khuôn hình nón cụt có kích thước tùy thuộc vào cỡ hạt lớn nhất của cốt liệu [20]

1.3.2.2 Tính co ngót

Trong quá trình rắn chắc, bê tông thường phát sinh biến dạng thể tích, nở ra trong nước và co lại trong không khí Về giá trị tuyệt đối độ co lớn hơn nở 10 lần Ở một giới hạn nhất định độ nở có thể làm tốt hơn cấu trúc của bê tông, còn hiện tượng

co ngót luôn luôn kéo theo hậu quả xấu Bê tông bị co ngót do nhiều nguyên nhân, trước hết là sự mất nước trong các gel đá xi măng Khi mất nước các mầm tinh thể xích lại gần nhau và đồng thời các gel cùng dịch chuyển làm cho bê tông bị co [20]

1.3.2.3 Tính lâu bền

Bê tông lâu bền là có khả năng chống chịu được ở mức độ thỏa mãn những ảnh hưởng trong quá trình sử dụng như phong hóa, tác động hóa học hay bào mòn Nhiều phòng thí nghiệm đã được thành lập để đánh giá tính lâu bền của bê tông nhưng là rất khó để có thể đạt được mối liên quan trực tiếp kết quả trong phòng thí nghiệm và quá trình sử dụng ở bên ngoài [21]

Chống chịu quá trình phong hóa, phá hủy bởi thời tiết gây ra bởi các hoạt động phá vỡ như đóng băng và tan băng, dãn nở và co ngót, dưới sự kiềm chế kết quả từ

sự biến đổi nhiệt độ, liên tục ướt và khô Bê tông có khả năng chống chịu tốt nếu cẩn thận khi lựa chọn vật liệu cũng như tất cả các công đoạn trong quản lý công việc Việc đưa một hàm lượng tối ưu các bong bóng khí vào bê tông khi trộn giúp cải thiện tính lâu bền của bê tông bằng việc cắt giảm hàm lượng nước và giúp cải thiện tính công tác của bê tông, làm cho bê tông đậm đặc lại giúp tăng khả năng chống chịu nước hay sử dụng sợi giúp tránh nứt vỡ do co ngót bê tông do biến đổi nhiệt độ [21]

1.3.2.4 Tính chống chịu phá hủy hóa học

Tác động phá hủy bê tông toàn bộ hay một phần do tác động hóa học của hàm lượng kiềm trong xi măng và thành phần khoáng chất của cốt liệu trong bê tông Có hai dạng kiềm cốt liệu là kiềm sili cát và kiềm các bo nát, các hoạt động kiềm hóa này làm trương nở bê tông dẫn đến phá vỡ liên kết Để tránh kiềm hóa cốt liệu thì mỏ

đá phải đánh giá, xem xét cẩn thận cũng như lịch sử của mỏ Bê tông cũng có thể bị phá hủy khi tác động với các chất hóa học khi không được bảo vệ, như [21]:

- Các loại chất có thể hòa tan vô cơ và hữu cơ: Xăng dầu, axít hữu cơ…

- Một lượng chất kết hợp với xi măng để tạo hỗn hợp nhưng lại có quá nhiều hơn lượng xi măng kết dính như các loại muối sunfate có sodium, magieum

và calcium các muối này được biết như là kiềm trắng

- Bê tông trong môi trường khô ẩm liên tục có một lượng muối như sodium cacbonat sẽ kết tinh trong các lỗ của bê tông dẫn đến những tác động phá hủy vật lý

- Trong môi trường như các buồng chưng cất nhanh của các nhà máy khử muối phải chịu tác động lạnh đến nước nóng bốc hơi hay dòng chảy của nước chưng cất, bê tông bị tấn công nhanh chóng bởi các khoáng chất tự do trong dung dịch Dung dịch này nhanh tróng phân hủy vôi và các chất hòa tan trong hỗn hợp xi măng làm mất khả năng liên kết thậm chí làm tiêu hủy

bê tông

- Các nhà máy khử muối còn chịu tác động bất lợi do nước đầu vào là nước biển hay nước mặn khai thác từ giếng

DUT.LRCC

1.3.2.5 Tính chống chịu bào mòn:

Các nguyên tắc gây bào mòn bê tông là hiện tượng khí thực, di chuyển của các vật liệu trà sát như dòng chảy của nước, trà sát và tác động của giao thông, luồng gió thổi …, trong các nguyên nhân trên thì hiện tượng khí thực phá hủy lớn nhất và rất nhiều vật liệu để phối trộn nhưng đem lại ít kết quả [21]

1.3.2.6 Tính chịu nước

Bê tông đông cứng hoàn toàn có khả năng chống chịu nước nhưng trong thực tiễn không phải giữa các cốt liệu là lớp xi măng kết dính Để đạt được hỗn hợp bê tông trộn sử dụng làm việc được một lượng nước được thêm vào nhiều hơn lượng xi măng thủy hóa Lượng nước dư này tạo ra các lỗ trong bê tông và có thể nối với nhau tao thành đường dẫn nước Hơn nữa thể tích của bê tông ban đầu và sau khi thủy hóa

là không giống nhau và kết quả là quá trình đông cứng của chất kết dính cũng taok ra các lỗ rỗng trong bê tông Ngoài ra còn một lượng khí cuốn vào có mục đích cũng tạo ra các lỗ rỗng trong bê tông Dưới áp lực thuỷ tĩnh nước có thể thấm qua những

lỗ rỗng mao quản Thực tế nước chỉ thấm qua những lỗ rỗng có đường kính lớn hơn 1μm, vì màng nước hấp phụ trong các mao quản đã có chiều dày đến 0,5μm [21] Đối với các công trình có yêu cầu về độ chống thấm nước thì cần phải xác định

độ chống thấm theo áp lực thuỷ tĩnh thực dụng Căn cứ vào chỉ tiêu này chia bê tông thành các loại mác chống thấm: CT-2, CT-4, CT-6, CT-8, CT-10, CT-12 (hoặc B2, B4, B6, B8, B10, B12) Tính chống thấm của bê tông được xác định theo TCVN 3116:1993 [20]

1.4 Các nghiên cứu trong nước và nước ngoài về độ bền chống chloride của bê tông

Sự thâm nhập của chloride vào trong bê tông là nguyên nhân chính gây ra ăn mòn cốt thép, khi chloride thâm nhập vào trong bê tông nó sẽ phá hủy lớp màng bảo

vệ xung quanh cốt thép gây ra ăn mòn của cốt thép Ăn mòn cốt thép trong bê tông là một trong những nguyên nhân chính gây nên sự hư hại của kết cấu bê tông cốt thép, đặc biệt là những kết cấu ở môi trường biển [22]

1.4.1 Tình hình nghiên cứu trong nước

Hiện nay có nhiều nghiên cứu về tình trạng xâm thực ion clo qua bê tông gây

ăn mòn cốt thép, để đảm bảo tuổi thọ công trình và tận dụng các chất thải công nghiệp từc các nhà máy, có nhiều nghiên cứu, bài báo khoa học của các tổ chức, cá nhân nghiên cứu về độ bền chống thấm chloride

Trần Văn Miền và các cộng sự đã nghiên cứu đặc tính thẩm thấu ion Clo của bê tông có sử dụng xỉ lò cao Kết quả thí nghiệm cho thấy, hàm lượng xỉ lò cao thay thế

xi măng PC50 tăng từ 0% đến 50% thì hệ số khuếch tán ion Clo của bê tông giảm dần và hàm lượng ion clo liên kết trong bê tông tăng tương ứng Có thể sử dụng xỉ lò cao thay thế xi măng PC50 với hàm lượng 30% đến 40% để tăng khả năng chống thẩm thấu ion clo mà vẫn không ảnh hưởng đến cường độbê tông thiết kế [1] Đặng Thị Thanh Lê, đã nghiên cứu ảnh hưởng của vật liệu Nano SiO2 điều chế

từ tro trấu đến khả năng chống thấm Ion clo của bê tông Kết quả nghiên cứu cho thấy việc sử dụng nano SiO2 điều chế từ tro trấu trong bê tông xi măng đã làm tăng khả năng chống thấm Ion clo của bê tông Trong đó khả năng chống thấm ion clo của các loại bê tông xi măng tăng theo hàm lượng nano SiO2sử dụng, khi hàm lượng nano SiO2 sử dụng là 2,5%, khả năng chống thấm ion clo của bê tông xi măng tốt nhất, giảm được 30,4% điện lượng và 26% điện lượng so với bê tông xi măng không sử

DUT.LRCC

dụng nano SiO2 Như vậy, nano SiO2 điều chếtừtro trấu khi cho vào bê tông xi măng

đã làm tăng khả năng chống thấm ion clo của bê tông, góp phần hạn chế sự ăn mòn [23]

1.4.2 Tình hình nghiên cứu ngoài nước

Hiện nay có nhiều nghiên cứu khác nhau trên thế giới về ảnh hưởng của chloride đến ăn mòn cốt thép trong bê tông, cũng như các nhân tố ảnh hưởng đến sự xâm nhập của in clorua vào bê tông

Roma Loser [24] và các cộng sự nghiên cứu khả năng chống xâm thực clorua của bê tông chế tạo từ nhiều loại chất kết dính và tỉ lệ nước/ chất kết dính khác nhau

từ ba phương pháp là thấm chlorua tự nhiên, gia tốc thấm chlorua và đo độ dẫn điện Nhóm tác giả kết luận rằng khả năng chống xâm thực chloride của bê tông phụ thuộc

và loại chất kết dính và tỉ lệ nước/ chất kết dính

Nghiên cứu khác được thực hiện bởi Ahmet Raif Bog và cộng sự [25], trong đó tro bay được sử dụng để thay thế xi măng theo các tỉ lệ 0%, 15%, 30% và 45% và thí nghiệm tại các thời điểm 28 và 56 ngày ở hai môi trường dưỡng hộ khác nhau là nước

và không khí Nhóm tác giả kết luận rằng môi trường dưỡng hộ trong nước kết hợp với hàm lượng tro bay thay thế xi măng là 15% có khả năng nâng cao độ bền chống lại xâm thực chloride

P Chindaprasirt và cộng sự [26] nghiên cứu ảnh hưởng của độ mịn của tro bay đến khả năng chống lại sự xâm thự clorua của bê tông theo phương pháp đo gia tốc nhanh xâm thực ion clorua Nhóm tác gải kết luận rằng khả năng chống xâm thực clorua của bê tông có tro bay phụ thuộc vào độ mịn của tro bay Thí nghiệm chỉ ra rằng dòng diện Colum chạy qua bê tông tại thời điểm 28 ngày tuổi giảm mạnh khi có tro bay và việc giảm xâm thực càng lớn nếu độ mịn của tro bay càng lớn DUT.LRCC

CHƯƠNG 2: ẢNH HƯỞNG CỦA CHLORIDE ĐẾN SỰ HƯ HẠI CỦA KẾT CẤU BÊ TÔNG VÀ CÁC PHƯƠNG PHÁP XÁC ĐỊNH NỒNG ĐỘ

CHLORIDE

2.1 Ảnh hưởng của ion clo đến sự hư hại của kết cấu BTCT

Bình thường, cốt thép được bảo vệ hoàn toàn trong môi trường kiềm của bê tông nhờ vào hàm lượng lớn của canxi oxit, natri oxit và kali oxit hoà tan Các hợp chất kiềm trong bê tông giữ độ pH ở mức 12-13 giúp tạo nên một lớp màng bảo vệ mỏng trên bề mặt cốt thép Trong điều kiện thông thường, lớp màng mỏng có khả năng bảo

vệ cốt thép chống lại sự tấn công của các tác nhân ăn mòn từ môi trường Cơ chế này được gọi là "cơ chế bảo vệ thụ động" của BTCT [22]

Có hai cơ chế có thể phá vỡ sự tự bảo vệ của kết cấu BTCT và được xem như

là tác nhân chính dẫn đến ăn mòn của cốt thép trong bê tông Đó là hiện tượng cacbonat hoá và sự xâm nhập của chloride [22]

Khi chloride thâm nhập vào bê tông thì nó sẽ phá hủy lớp màng bảo vệ xung quanh cốt thép gây ra ăn mòn của cốt thép Ăn mòn cốt thép trong bê tông là một trong những nguyên nhân chính gây nên sự hư hại của kết cấu bê tông cốt thép, đặc biệt là những kết cấu ở môi trường biển [22]

Khi cốt thép bị ăn mòn, nó có ảnh hưởng đến ứng xử cơ học của kết cấu: làm giảm khả năng chịu lực do diện tích cốt thép bị giảm so với bố trí ban đầu, làm giảm

độ cứng của cấu kiện do giảm diện tích cốt thép và giảm lực dính giữa bê tông và cốt thép; làm giảm độ võng khi kết cấu bị phá hoại [27]

2.1.1 Sự xâm nhập ion clo [27]

Sự có mặt của ion clo trong miền bê tông cận cốt thép, khi hàm lượng quá một giới hạn nhất định có thể phá vỡ màng thụ động Fe2O3 gây ăn mòn và phá hủy cốt thép theo cơ chế sau:

Anốt: Fe  Fe2+ + 2e-

Catốt: O2 + 2H2O + 4e-  4OH-

Sản phẩm ăn mòn lần lược được hình thành dưới các dạng Fe3O4 , Fe(OH)2 , Fe(OH)3 , Fe(OH)3 3H2O v.v., kèm theo quá trình này là sự tích tụ sản phẩm ăn mòn trên bề mặt kim loại có thể tích gấp 4 đến 6 lần so với ban đầu Chính sự trương nở thể tích này đã gây ra nội ứng suất phá vỡ lớp bê tông bảo vệ và làm suy giảm tiết diện cốt thép, dẫn tới phá hủy kết cấu, xem hình 2.1

Hình 2.1 Cơ chế ăn mòn cốt thép

DUT.LRCC

Hàm lượng ion clo xâm nhập vào miền bê tông cận cốt thép theo hai con đường:

- Do vật liệu sử dụng để chế tạo bê tông bị nhiễm mặn ngay từ đầu

- Do khuyết tán từ bên ngoài vào

Thực tế đã chứng minh rằng, đối với các công trình đã sử dụng vật liệu bị nhiễm mặn vừa nêu trên, hiện tượng ăn mòn và phá hủy xảy ra rất sớm, chỉ sau ba đến 5 năm

kể từ khi công trình đưa vào sử dụng

Thông thường với vật liệu đầu vào dùng để chế tạo bê tông không bị nhiễm mặn, tổng hàm lượng ion clo ban đầu trong bê tông ở vào khoảng 0,1 đến 0,4 kg/m3 bê tông Theo phân tích ở trên, hàm lượng ion clo nằm ở dưới giới hạn có thể gây ăn mòn cốt thép, vậy nếu không có sự tích tụ thêm ion clo từ môi trường bên ngoài vào và độ

PH của bê tông luôn được duy trì ở giá trị không thấp hơn 11,5 thì cốt thép trong bê tông sẽ được bảo vệ ở trạng thái thu động và chúng không bị ăn mòn, phá hủy

Trên thực tế, bê tông vốn là vật liệu không hoàn toàn đặc chắc, trong kết cấu thường tồn tại các lỗ rỗng mao quản có thể cho các chất khí, nước và hơi ẩm thấm vào Đó chính là đường thấm ion clo, O2 , H2O và chất xâm thực khác từ môi trường bên ngoài vào bê tông Thêm vào đó, theo thời gian độ PH của bê tông có thể bị giảm

do bị cacbonat hóa Tổng hợp các yếu tố đó có thể dẫn đến sự ăn mòn cốt thép và phát triển gỉ nhanh chóng, tạo ra nội ứng suất phá vỡ lớp bê tông bảo vệ, làm suy yếu khả năng chịu lực và cuối cùng là phá vỡ kết cấu

Mức độ xâm thực ion clo vào miền bê tông cận cốt thép phụ thuộc chủ yếu vào:

- Điều kiện môi trường làm việc cụ thể của kết cấu: Vùng ngập nước, vùng nước lên xuống, vùng khí quyển trên biển và ven biển

- Khả năng ngăn cản ion clo của lớp bê tông bảo vệ cốt thép: Có thể đánh giá khả năng này thông qua mác chống thấm và chiều dày lớp bê tông bảo vệ cốt thép

2.1.2 Sự ăn mòn cốt thép trong bê tông

Ăn mòn cốt thép trong bê tông là một trong những nguyên nhân chính gây nên

sự hư hại của kết cấu bê tông cốt thép, đặc biệt là những kết cấu ở môi trường biển [22]

Những nhân tố ảnh hưởng đến ăn mòn của cốt thép trong bê tông như chất lượng

bê tông (nước/xi măng, hàm lượng xi măng, các vết nứt, độ sạch của thành phần tạo nên bê tông) và các nhân tố từ môi trường bên ngoài (độ ẩm môi trường, oxy, nhiệt

độ, vi khuẩn tấn công và dòng điện lân cận stray current) [22]

Dấu hiệu đầu tiên nhận thấy sự ăn mòn là các vết màu nâu trên bề mặt bê tông tại khu vực quanh cốt thép Các vết màu nâu này có thể thâm nhập vào bê tông mà không cần có các vết nứt của bê tông nhưng thông thường sẽ đi kèm với các vết nứt của bê tông hoặc là các vết nứt sẽ xuất hiện ngay sau đó [22]

Hiện tượng carbonation của bê tông hoặc sự xâm nhập của các khí chứa acid vào bê tông cũng là nguyên nhân chính gây nên sự ăn mòn của cốt thép trong bê tông [22]

Sau khi ăn mòn bắt đầu, các sản phẩm ăn mòn (như iron oxides và hydroxides)

sẽ làm tăng thể tích vài lần so với thể tích thép ban đầu dẫn đến các nội ứng lực gây nên vết nứt và bong trát lớp bê tông bảo vệ [22]

Sự phá hoại của các kết cấu ứng lực trước do thâm nhập chloride đang tiếp diễn trên toàn thế giới Nhiều kết cấu ứng lực trước làm việc trong môi trường biển bị tấn

DUT.LRCC

công bởi ion chloride (nguyên nhân chính dẫn đến sự ăn mòn của cốt thép trong bê tông) [22]

2.1.2.1 Các nguyên nhân gây ăn mòn

 Chloride xâm nhập vào bê tông thông thường từ các nguồn sau đây: CaCl2

có trong xi măng khi đúc bê tông; muối trong các thành phần cấp phối khi đúc bê tông; sựthâm nhập của nước muối ở môi trường biển, sự thâm nhập muối từ đường xá và xe cộdo hiện tượng de-icing [22]

 Có nhiều dạng chloride trong bê tông như: ion chloride tự do trong chất lỏng ở các lỗ rỗng bê tông; chloride liên kết yếu trong hợp chất với calcium silicate; chlorideliên kết mạnh với các hợp chất calcium aluminates [22]

- Ăn mòndo hiện tượng carbonation:

 Hiện tượng carbonation của bê tông hoặc sự xâm nhập của các khí chứa acid vào bê tông cũng là nguyên nhân chính gây nên sự ăn mòn của cốt thép trong bê tông mà không cần sự phá hoại của lớp bê tông trước khi cốt thép bị tấn công [22]

 Đây là hiện tượng không thể tránh được; CaCO3 được hình thành do phản ứng hóa học giữa CO2 từ môi trường không khí và Ca(OH)2 trong chất lỏng từ các lỗ rỗng của bê tông [22]

CO2 Ca(OH)2 H2O, NaOH CaCO3 + H2O

 Kết quả tất yếu của phản ứng trên là nồng độ pH của chất lỏng của các lỗ rỗng bên trong bê tông bị giảm từ giá trị bình thường 13-14 đến giá trị trung tính Khi có sự xuất hiện của O2 và nước thì ăn mòn của cốt thép bắt đầu xảy ra khi nồng độ pH của chất lỏng trong các lỗ rỗng bê tông rơi xuống dưới 11 [22]

- Ăn mòn do dòng điện lân cận:

 Dòng điện lân cận từ các hệ thống xe lửa, hoặc những thiết bị điện có điện thế cao thông thường gây ra ăn mòn của các kết cấu thép hoặc BTCT được chôn dưới lòng đất [22]

 Dòng điện lân cận có thể là dòng điện một chiều (DC) hoặc xoay chiều (AC) [22]

 Dòng điện lân cận có thể đi theo hướng khác với hướng dự định vì nó luôn

có hướng đi song song hoặc những hướng di chuyển khác nhau Hướng đi của dòng điện lân cận là hướng có điện trở thấp di chuyển qua các kết cấu

có chứa kim loại thép được chôn dưới lòng đất (đường ống dẫn dầu, khí,

bể chứa, các công trình biển) [22]

- Ăn mòn cốt thép trong môi trường biển: Bê tông và bê tông cốt thép được xây dựng trong nước biển hoặc vùng ven biển chịu tác dụng trực tiếp của các yếu

tố xâm thực của môi trường biển mà đặc trưng là bốn loại yếu tố xâm thực sau:

DUT.LRCC

 Các yếu tố hoá học: Nước biển có chứa các ion khác nhau của các loại muối có trong nước biển

 Các yếu tố biến động của nước biển và thời tiết: Nước thuỷ triều lên xuống nên một số bộ phận bị khô ẩm liên tiếp

 Các yếu tố vật lí: Nhiệt độ biến đổi

 Các yếu tố cơ học: Tác động của sóng xói mòn trên bề mặt bê tông.Tác động phối hợp của các yếu tố này làm cho bê tông và bê tông cốt thép trong môi trường biển bị ăn mòn mạnh Xét về bản chất có một số dạng ăn mòn chính sau đây:

(i) Ăn mòn hoá học bê tông trong nước biển

(ii) Ăn mòn cốt thép trong khí quyển biển và vùng có mực nước lên xuống (iii) Ăn mòn bê tông do vi sinh vật biển

 Trong các dạng ăn mòn này thì ăn mòn hoá học của bê tông trong môi trường

biển là nguy hiểm nhất vì nó vừa phá vỡ cấu trúc bê tống vừa tạo điểu kiện

để các tác nhân hoá học xâm nhập vào ăn mòn cốt thép

 Các công trình bê tông cốt thép khi sử dụng trong môi trường biển, nếu không có biện pháp bảo vệ có hiệu quả thì bị ăn mòn mạnh, vì môi trường nước biển có chứa các hợp chất hóa học có tính chất ăn mòn cao đối với

cả bê tông và cốt thép Có thể nói đây là loại ăn mòn tổng hợp

 Nguyên nhân chính làm phá huỷ bêtông trong môi trường biển là do các muối sunfat ăn mòn đá xi măng, về mặt nguyên tắc, độ bền ăn mòn sunfat của bêtông tăng khi giảm thành phần C3A và phụ thuộc không nhiều vào hàm lượng CjS của ximăng [22]

Quá trình khuếch tán ion clo vào bê tông và ăn mòn cốt thép trong bê tông gây

hư hại kết cấu được mô tả là một quá trình hai giai đoạn, gồm: Giai đoạn khởi đầu ăn mòn và giai đoạn lan truyền ăn mòn Giai đoạn khởi đầu ăn mòn là thời gian kể từ khi kết cấu bắt đầu tiếp xúc với ion clo cho đến khi ion clo xâm nhập vào bê tông tập trung trên bề mặt cốt thép đạt đến ngưỡng nồng độ gây ăn mòn Giai đoạn lan truyền ăn mòn

là thời gian kể từ khi cốt thép bắt đầu bị ăn mòn tới khi ăn mòn gây nứt hoàn toàn bê tông bảo vệ hoặc tới khi diện tích tiết diện cốt thép bị giảm do ăn mòn, dẫn đến kết cấu không còn thỏa mãn trạng thái giới hạn (TTGH) chịu lực [27]

Sự có mặt của ion clo trong miền bê tông cận cốt thép, khi hàm lượng quá một giới hạn nhất định có thể phá vỡ màng thụ động Fe2O3 ,khi lớp màng thụ động bị phá hủy, sự trao đổi electron ở 2 điện cực kết hợp với sự cung cấp oxi và điều kiện môi trường, các phản ứng hóa học xảy ra để tạo thành rỉ sắt, gây ăn mòn và phá hủy cốt thép theo cơ chế sau:

Anốt: Fe  Fe2+ + 2e-

Catốt: O2 + 2H2O + 4e-  4OH-

Sản phẩm ăn mòn lần lược được hình thành dưới các dạng Fe3O4 , Fe(OH)2 , Fe(OH)3 , Fe(OH)3 3H2O v.v., kèm theo quá trình này là sự tích tụ sản phẩm ăn mòn trên bề mặt kim loại có thể tích gấp 4 đến 6 lần so với ban đầu Chính sự trương nở thể tích này đã gây ra nội ứng suất phá vỡ lớp bê tông bảo vệ và làm suy giảm tiết diện cốt thép, dẫn tới phá hủy kết cấu [28]

2.1.2.2 Một số phương pháp chống ăn mòn

a Thay đổi thành phần khoáng của xi măng

DUT.LRCC

Việc giảm các khoáng C3A và C3S khi thuỷ hoá sinh ra các sản phẩm Са(ОН)т và C3AH6 đem lại hiệu quả rất cao trong lĩnh vực chống ăn mòn cho các công trình dùng xi măng Tuy nhiên, khi giảm các khoáng này thường làm thay đổi cáctính chất kĩ thuật chung của xi măng Việc giảm C3S ảnh hưởng ít tới các tính chất

cơ học của bê tông xi măng, nhưng khi giảm C3S lại làm giảm đáng kể cường độ của các sản phẩm dùng xi măng Do những hậu qủa này, các nhà khoa học đã khuyến cáo rằng phương pháp này chỉ dùng với những công trình có sự ăn mòn mạnh và kết cấu

có yêu cầu độ chịu lực nhỏ [28]

Việc thay đổi thành phẩn khoáng của xi măng để thích hợp với môi trường có tính chất ăn mòn có thể dẫn tới thay đổi loại xi măng Cần xác định rõ bản chất và mức

độ xâm thực mà từng phần bê tông của công trình phải tiếp xúc để chọn loại xi măng thích hợp Theo tài liệu phần bê tông và bê tông cốt thép của các công trình trong điều kiện nước biển lên xuống (nghĩa là phần bê tông bị tác dụng của môi trường sunfat trong điều kiện nóng lạnh, khô ẩm thay đổi theo chu kì) thì sử dụng xi măng bền sunfat Khi bê tông và bê tông cốt thép làm việc thường xuyên dưới đất hoặc trong môi trường biển thì dùng xi măng pooqlăng puzulan, xi măng pooclăng xỉ đủ thoả mãn

độ bền

Xi măng hỗn hợp đã được quan tâm đặc biệt trong những năm gần đây, do độ bền cao trong môi trường ăn mòn [28]

b Nâng cao độ đặc của bê tông

Các lỗ rỗng và mao quản trong đá xi măng là nơi để các tác nhân của môi trường lỏng xâm nhập vào, hoà tan các sản phẩm thuỷ hoá của xi măng, tương tác với chúng, tạo ra các sản phẩm mới tan mạnh hơn hoặc lắng đọng trong lòng các lỗ rỗng, hoặc nở thể tích phá vỡ kết cấu Việc nâng cao độ dặc sẽ làm triệt tiêu hoặc giảm đáng

kể sự xâm nhập của các tác nhân môi trường vào trong lòng bê tông Tuy nhiên việc nâng cao độ đặc cũng là vấn đề khó, nó phải kết hợp chặt chẽ việc thiết kế thành phần

bê tông với việc thi công bê tông Để đạt được độ đặc chắc tối đa khi thi công (không

có các lỗ rỗng không khí sau tạo hình), thì ngoài lượng nước cần thiết cho thuỷ hoá xi măng còn cần một lượng nước đủ cho hỗn hợp bê tông có tính lưu động hợp lí (lượng nước nhào trộn thường gấp 1,5-2 lần lượng nước cần thiết cho thuỷ hoá xi măng) Vì

lí do đó nên sau khi rắn chắc lượng nước không thuỷ hoá xi măng bay hơi để lại các

lỗ rỗng (độ rỗng của bê tông thường khoảng 10 - 15%) Ngày nay với việc chế tạo được các loại phụ gia SP nên có khả năng nâng cao được hiệu quả của phương pháp này Kết hợp việc thiết kế cấp phối tốt, thi công tốt và sử dụng SP, độ rỗng của bê tồng chỉ còn khoảng 3-5% [28]

SP MFS-92A của viện hoá kĩ thuật - Viện Kĩ thuật Quân sự, Sikament 163EX của hãng Sika và Darex super 20 của hãng Grace có tác dụng dẻo hoá cao hỗn hợp bê tông, nên cho phép giảm nhiều tỉ lệ N/X, do đó làm tăng đáng kể độ đặc bê tông, giảm

độ co ngót, nâng cao độ bền, khả năng chống thấm và khả năng bảo vệ cốt thép trong môi trường nước, đặc biệt là môi trường có hàm lượng hoá chất cao (môi trường biển, môi trường của các nhà máy hoá chất) [28]

Vấn đề cốt lõi khi dùng SP là tăng độ dẻo của hỗn hợp bê tông Khi giữ nguyên

độ dẻo thì có thể giảm được 20 - 30% lượng nước nhào trộn, tăng được độ đặc chắc,

và từ đó tăng được độ chống thấm, độ bền chống ăn mòn của bê tông Độ đặc chắc còn phải được đảm bảo bằng việc thi công tốt, nhất là việc đầm chắc hỗn hợp bê tông

DUT.LRCC

sau khi đổ khuôn, để loại bỏ các bọt khí và triệt tiêu các lỗ rỗng trong bê tông khi ngừng công tác đầm chặt [28]

Độ đặc chắc của bê tông luôn luôn là một yếu tố được đánh giá cao trong việc bảo vệ bê tông và bê tông cốt thép khỏi bị ăn mòn [28]

c Biến đổi các sản phẩm thủy hóa

Phương pháp chống ăn mòn này từ lâu đã được áp dụng rộng trên toàn thế giới

Ý nghĩa khoa học của nó là chuyển các sản phẩm thuỷ hoá có tính tan và hoạt động hoá học mạnh sang dạng sản phẩm mới ti tan hơn, và ít hoạt động hoá học hơn nhiều

so với các sản phẩm thuỷ hoá ban đầu Nội dung khoa học của phương pháp này là dùng các loại phụ gia khoáng hoạt tính như puzolan, xỉ hạt lò cao nghiền mịn và các thải phẩm công nghiệp khác Trong các phụ gia khoáng có thành phần chủ yếu là Si02

ở dạng vô định hình [28]

Khi pha các phụ gia này vào bê tông, sinh ra phản ứng sau đây:

Ca(OH)2 + Si02 (vô định hình) > Ca0.nSi02.aq Sản phẩm mới sinh ra vừa không tan trong nưóc vừa có cường độ cao, và có tác dụng chống ăn mòn Phản ứng này được gọi là phản ứng puzolan

Muội silic là một trong các phụ gia khoáng làm giảm đáng kể tính thấm nước của bê tông Nó cũng có tác dụng làm cho lỗ rỗng nhỏ hơn và ít liên tục hơn, do đó giảm sự thẩm thấu của ion Clo vào bê tông Khi pha phụ gia muội silic vào bê tông,

độ pH có giảm đi một chút do đó giảm sự thụ động của lớp oxyt bảo vệ cốt thép, vì thế đôi khi được coi là bất lợi Tuy nhiên qua thực tế thấy rằng, khi thay thế xi măng bằng muội silic với tỉ ]ệ đến 20% khối lượng xi măng, việc giảm độ pH không gây bất lợi lớn cho việc bảo vệ cốt thép Ngoài ra, đối với cùng nồng độ clorua, tốc độ ăn mòn không thay đổi khi có mặt hay không có mặt muội silic [28]

Một biện pháp khác vừa có tác dụng biến đổi sản phẩm thuỷ hoá sang dạng bền vững, vừa có tác dụng nâng cao độ đặc chắc trên bề mặt sản phẩm, ngăn cản sự xâm nhập của các tác nhân ăn mòn là biện pháp cacbonat hoá bề mặt sản phẩm Khi bê tông được bảo dưỡng trong môi trường có khí cacbonic trước khi đưa vào sử dụng, thì giữa hydroxyt canxi có trong đá xi măng sẽ phản ứng với khí cacbonic theo phản ứng [28]:

Ca(OH)2 + C02 CaC03 + H20 Sản phẩm cacbonat canxi kết tinh dạng bản tạo thành lớp vỏ chặt xít ngăn cản không cho các tác nhân của môi trường xâm nhập vào bên trong, phá hoại bê tông Tuy nhiên khi nồng độ khí cacbonic cao hoặc trong quá trình sử dụng lâu dài, khí C02 trong nước sẽ tác dụng với sản phẩm này tạo ra cácbonat canxi axit (Ca(HC03)2), tan mạnh vào môi trường làm mất khả năng bảo vệ kết cấu và sự ăn mòn bê tông lại tăng lên [28]

d Chống ăn mòn điện cực âm

Phương pháp ngăn ngừa và giảm thiểu nguy cơ ăn mòn của cốt thép trong bê tông bằng cách xây dựng hệ thống bảo vệ điện cực âm (cathodic protection) trong quá trình thi công hoặc giai đoạn sửa chữa

Phương pháp bảo vệ điện cực âm (cathodic protection) liên quan đến việc kết nối cốt thép cần bảo vệ trong kết cấu bê tông trở thành điện cực âm của dòng điện [22]

Có 2 phương pháp bảo vệ điện cực âm: impressed current (sử dụng nguồn điện ngoài) và galvanic (anode hy sinh) [22]

DUT.LRCC

d1 Phương pháp chống ăn mòn điện cực âm sử dụng dòng điện bên ngoài

- Phương pháp bảo vệ điện cực âm sử dụng nguồn điện bên ngoài (impressed current cathodic protection) liên quan đến việc kết nối cốt thép cần bảo vệ

và các điện cực kim loại hay carbon khác sử dụng dòng điện một chiều, trong đó cốt thép cần bảo vệ được kết nối với điện cực âm của nguồn điện một chiều và được bảo vệ (cathode) còn các loại vật liệu dẫn điện khác kết nối với điện cực dương của nguồn điện một chiều (anode)

- Sự thay đổi thành phần hóa học xung quanh cốt thép làm cho điện cực âm (anode) bị phân cực ngay cả khi dòng điện một chiều bị ngắt đi (tắt đi), từ

đó

tạo nên một hiệu điện thế giữa các điện cực và cốt thép bị phân cực theo hướng ‘điện thế âm hơn’

- Ion (OH)- sản sinh ra tại điện cực âm: 2H2O + O2 + 4e- → 4OH-

Hình 2.1 Bảo vệ điện cực âm sử dụng nguồn điện bên ngoài

Hệ thống điện cực dương (anode)

- Khi kết cấu bê tông cốt thép làm việc trong môi trường không khí Các loại vật liệu được sử dụng làm điện cực dương: titanium, zinc or aluminium alloys, conductive titanium-based ceramics and carbon [22]

 Điện cực dương phải được đặt ở vị trí trên cấu kiện BTCT để cho dòng điện có thể di chuyển giữa điện cực âm và dương

 Điện cực dương (anode) có thể được chôn sâu vào trong bê tông hoặc có thể dán trên bề mặt bê tông

 Loại điện cực dương chôn vào bê tông bằng cách sử dụng loại “discrete probe electrodes’’(titanium or titania ceramics) chôn vào lỗ rỗng trong bê tông sau đó dùng vật liệu phun lấp bao quanh Ngoài ra có thể sử dụng các khe rãnh và chèn vào các loại vật liệu như các tấm sườn titanium

 Loại điện cực dương dán trên bề mặt: sử dụng các tấm carbon hoặc titanium dán trên bề mặt bê tông và phun các vật liệu bao phủ lên trên Ngoài ra điện cực dương bề mặt có thể được tạo ra bằng cách sơn hoặc phủ trực tiếp các loại vật liệu làm điện cực dương trên bề mặt bê tông Phương pháp này rất hiệu quả vì lượng vật liệu sử dụng ít nhưng có thể bao phủ trên diện rộng bê tông Vật liệu hay sử dụng là sơn có chứa carbon (carbon based paint)

DUT.LRCC

- Khi kết cấu BTCT nằm ở dưới lòng đất hoặc dưới nước

 Điện cực dương không cần thiết tiếp xúc trực tiếp với bê tông bởi vì nước xung quanh bê tông là chất dẫn điện đối với các kết cấu ở dưới nước hoặc đất cũng đóng vai trò chất dẫn điện trong việc tạo ra dòng điện giữa điên cực âm (cathode) và điện cực dương (anode)

 Điên cực dương đơn có thể sử dụng để bảo vệ một diện rộng kết cấu

 Khi kết cấu dưới nước hoặc dưới lòng đất thì điện cực dương (anode) có thể sửdụng gồm các loại vật liệu dẫn điện như platinum-coated titanium, magnetite and iron với hàm lượng silicon cao

 Gần đây, titanium được phủ bởi một lớp hỗn hợp kim loại (MMO) được

sử dụng để thay thế titanium phủ bới platinum

Hình 2.2 Thi công hệ thống điện cực dương

d2 Phương pháp chống ăn mòn sử dụng điện cực dương hy sinh

Hình 2.3 Phương pháp chống ăn mòn sử dụng điện cực hy sinh

- Phương pháp chống ăn mòn dùng điện cực dương hy sinh (Galvanic cathodic protection) là hình thức bảo vệ chống ăn mòn trên cơ sở hiệu điện thế được tạo ra bằng cách kết nối cốt thép với điện cực làm bằng kim loại

có xu hướng cho electron hơn (more anodic), khi đó kim loại có xu hướng cho electron sẽ bị ăn mòn còn cốt thép nhận electron sẽ được bảo vệ [22]

- Vì không có nguồn điện ngoài cung cấp dòng điện nên hệ thống bảo vệ dùng anode hy sinh sẽ kinh tế hơn so với hệ thống dùng dòng điện ngoài

DUT.LRCC

- Khi kết cấu BTCT làm việc trong môi trường không khí

 Điện cực dương (anode) phải tiếp xúc trực tiếp với bê tông

 Sử dụng các tấm anode (điện cực dương) dán cố định vào bề mặt bê tông

 Sơn các lớp vật liệu điện cực dương (anode) trên bề mặt bê tông

 Khoét các lỗ cạn vào bê tông và đặt anode vào trong đó

- Khi kết cấu không làm việc trong môi trường không khí

 Điện cực dương không nhất thiết phải tiếp xúc trực tiếp với bề mặt bê tông

 Việc thay thế điện cực dương trong trường hợp này hơi khó khăn

 Loại, hình dáng, và thể tích của điện cực dương cần chọ phù hợp để đảm bảo

điện cực làm việc hiệu quả, cung cấp đủ dòng điện bảo vệ cốt thép và có tuổi thọ đáp ứng với yêu cầu thiết kế

 Các loại vật liệu hay sử dụng: zinc, aluminium and magnesium

- Điện thế thu được khi sử dụng bảo vệ bằng anode hy sinh thì thường khoảng 1V Điện thế này nhỏ hơn so với phương pháp bảo vệ dung dòng điện ngoài, do đó phương pháp dung anode hy sinh này chỉ có giới hạn

sử dụng nhất định

2.1.3 Ngưỡng chloride giới hạn

Cốt thép trong bê tông có thể được bảo vệ khỏi sự xâm thực bởi lớp màng thụ động hình thành trên bề mặt thép Lớp màng thụ động này không thể duy trì mãi mà

sẽ bị phá hủy khi hàm lượng clorua đạt đến một giới hạn hàm lượng nhất định Giới hạn hàm lượng clorua này gọi là hàm lượng clorua tới hạn Sự xâm nhập của ion clo

có thể phá huỷ lớp thụ động trên bề mặt cốt thép trong bê tông trước khi ăn mòn bê tông Hàm lượng clorua tới hạn thay đổi khác nhau tùy theo tiêu chuẩn, được nêu trong bảng 2.1 [29]

Bảng 2.1 Hàm lượng ion clo tới hạn theo một số tiêu chuẩn

(% khối lượng xi măng)

Ngưỡng giới hạn hàm lượng chloride nằm trong lớp bê tông bảo vệ cốt thép được xác định như sau [22]:

- Ở mức 0.4% (khối lượng chloride trên tổng khối lượng xi măng của lớp bê tông bảo vệ): 50% khả năng ăn mòn xả ra

- Ở mức 1.0%: 95% khả năng ăn mòn xả ra

DUT.LRCC

- Các quan điểm khác:

 < 0.4% (khối lượng chloride trên tổng khối lượng xi măng): nguy cơ bị

ăn mòn thấp

 0.4 - 1%: nguy cơ bị ăn mòn mức độ trung bình

 > 1%: nguy cơ bị ăn mòn cao

2.2 Các phương pháp xác định nồng độ chloride

2.2.1 Phương pháp khoan lấy mẫu bột để xác định nồng độ chloride

Phương pháp xác định nồng độ clo của bê tông được thực hiện theo tiêu chuẩn TCVN 7572-15:2006 Theo tiêu chuẩn này, nồng độ clo bề mặt của các mẫu bê tông thường được xác định trực tiếp bằng cách cắt một lớp bề mặt mẫu bê tông mỏng khoảng 3-5mm nghiền thành bột và chiết bằng phương pháp hòa tan trong nước Hàm lượng clo trong dung dịch lọc sau đó được xác định bằng phương pháp chuẩn độ dung dịch Bạc Nitrat (AgNO3) Hàm lượng clo sau đó chuyển sang nồng độ clo bề mặt theo phần trăm theo khối lượng bê tông [40]

2.2.2 Phương pháp thí nghiệm nhanh (ASTM C1202/TCVN 9337-2012)

Có nhiều phương pháp để xác định độ bền của công trình BTCT trong môi trường xâm thực có tác nhân gây ăn mòn clo như môi trường biển Tại Việt Nam, thí nghiệm xác định độ thấm ion clo bằng phương pháp đo điện lượng truyền qua theo tiêu chuẩn ASTM C1202 hay tiêu chuẩn TCVN 9337:2012 được sử dụng rộng rãi nhất Thông qua thí nghiệm đánh giá được mức độ thẩm thấu ion clo vào trong bê tông, từ đó có thể dự đoán được độ bền của bê tông thông qua giá trị điện lượng truyền qua [19]

Phương pháp xác định độ thấm ion clo của bê tông được thực hiện theo tiêu chuẩn TCVN 9337:2012 Theo tiêu chuẩn này [19]:

- Mẫu bê tông sử dụng có đường kính 100 mm, chiều dày 50 mm

- Các mẫu thí nghiệm thấm ion clo được sơn chống thấm, hút chân không và ngâm trong nước

- Mẫu được đặt giữa 2 ngăn, một ngăn chứa dung dịch NaCl 3%, ngăn còn lại chứa dung dịch NaOH 0,3N, một mặt tiếp xúc với dung dịch natri clorua NaCl 3%, mặt kia tiếp xúc với dung dịch natri hydroxit NaOH 3N

- Thí nghiệm được tiến hành theo nguyên tắc áp dòng điện một chiều điện thế 60V vào hai mặt của mẫu thử, cực âm nối với mặt mẫu ở ngăn chứa dung dịch NaCl, cực dương nối với mặt mẫu ở ngăn chứa dung dịch NaOH

- Sau khi cho dòng điện một chiều đi qua mẫu trong khoảng thời gian 6 giờ, khả năng thấm ion clo qua bê tông được xác định thông qua giá trị tổng điện lượng truyền qua mẫu thử trong thời gian 6h, được chia thành các mức: cao, trung bình, thấp, rất thấp, không thấm

DUT.LRCC

CHƯƠNG 3: THÍ NGHIỆM XÁC ĐỊNH KHẢ NĂNG CHỐNG XÂM THỰC CHLORIDE CỦA BÊ TÔNG CÓ SỬ DỤNG TRO BAY VÀ XỈ

LÒ CAO

3.1 Giới thiệu chung

Sự xâm nhập của ion clo qua lớp bê tông bảo vệ thúc đẩy quá trình ăn mòn cốt thép, ảnh hưởng đến khả năng chịu lực của kết cấu bê tông cốt thép, gây hư hỏng và giảm tuổi thọ của công trình Do đó, khả năng chống xâm thực ion clo của bê tông là một trong những yếu tố quan trọng góp phần nâng cao độ bền của kết cấu bê tông đặc biệt là những công trình trong môi trường chịu xâm thực của clorua

Độ bền chống thẩm thấu ion clo qua bê tông phụ thuộc vào nhiều yếu tố, như thành phần cấu trúc bê tông, lỗ rỗng trong bê tông, nhiệt độ, độ ẩm môi trường Vì vậy việc thiết kế thành phần cấp phối bê tông hợp lý đóng vai trò quan trọng

Ngày nay, có nhiều nghiên cứu khác nhau nhằm tìm ra các nguồn vật liệu thay thế xi măng để nâng cao độ bền chống xâm thực clorua của bê tông Chương này trình bày kết quả nghiên cứu thực nghiệm khả năng chống xâm thực clorua của bê tông khi có tro bay và xỉ lò cao được sử dụng để thay thế xi măng Phương pháp thí nghiệm xác định nhanh điện lượng được sử dụng để thí nghiệm mức độ xâm thực của ion clorua tại các thời điểm 28, 56 và 120 ngày tuổi

3.2 Chương trình thí nghiệm

3.2.1 Tiêu chuẩn áp dụng

TCVN 3105:1993 - Hỗn hợp bê tông nặng và bê tông nặng - Lấy mẫu, chế tạo

và bảo dưỡng mẫu thử

TCVN 3106:1993 - Hỗn hợp bê tông nặng - Phương pháp thử độ sụt

TCVN 10302:2014 - Phụ gia hoạt tính tro bay dùng cho bê tông, vữa xây và xi măng

TCVN 11586:2016 - Xỉ hạt lò cao nghiền mịn dùng cho bê tông và vữa

TCVN 9337:2012 - Bê tông nặng - xác định độ thấm ion clo bằng phương pháp

đo điện lượng

TCVN 3118:1993 - Bê tông nặng - Phương pháp xác định cường độ nén TCVN 4506: 2012 - Nước cho bê tông và vữa - Yêu cầu kỹ thuật

TCVN 7570:2006 - Yêu cầu kỹ thuật của cốt liệu dùng cho bê tông và vữa TCVN 7572-15:2006 - Cốt liệu cho bê tông và vữa - Phương pháp thử

TCVN 6260:2009 - Xi măng poóc lăng hỗn hợp - Yêu cầu kỹ thuật

TCVN 7572-15:2006 - Cốt liệu cho bê tông và vữa - Phương pháp thử - Phần 15: Xác định hàm lượng clorua

3.2.2 Vật liệu, dụng cụ, thiết bị dùng để thí nghiệm

3.2.2.1 Vật liệu thí nghiệm

Xi măng được sử dụng là xi măng Sông Gianh PCB40 có các chỉ tiêu chất lượng như được nêu trong bảng 3.1, phù hợp với tiêu chuẩn TCVN 6260:2009 [39]

DUT.LRCC

Bảng 3.1 Các chỉ tiêu chất lượng của xi măng Stt Tên chỉ tiêu Đơn vị Kết quả 6260:2009 TCVN

1

Cường độ chịu nén -3 ngày

-28 ngày

MPa MPa

21,6 42,4

Bảng 3.2 Chỉ tiêu kỹ thuật của tro bay Vũng Áng

10302:2014

1 Tổng hàm lượng ôxit SiO2 + Al2O3 +

2 Hàm lượng lưu huỳnh, hợp chất lưu huỳnh

3 Hàm lượng canxi ôxit tự do CaOtd, % 0,02 Max 4

4 Hàm lượng mất khi nung MKN, % 8,3 Max 15

5 Hàm lượng kiềm có hại (kiềm hòa tan), %

5 Hàm lượng kiềm có hại (kiềm hòa tan), % ≤ 0,01 Max 0,1

Xỉ lò cao được sử dụng là loại S95 Hòa Phát có các chỉ tiêu kỹ thuật nêu trong bảng 3.3, phù hợp theo tiêu chuẩn TCVN 11586:2016 [36]

DUT.LRCC