Nghiên cứu tăng cường khả năng chống ăn mòn cho bê tông trong môi trường axit của các loại khoáng hạt mịn

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT NGHIÊN CỨU TĂNG CƯỜNG KHẢ NĂNG CHỐNG ĂN MÒN CHO BÊ TÔNG TRONG MÔI TRƯỜNG AXIT CỦA CÁC LOẠI KHOÁNG HẠT MỊN NGÀNH: KỸ THUẬT XÂY DỰN

TỔNG QUAN

Tình hình nghiên cứu

Việt Nam đang ở giai đoạn phát triển cao với dân số ngày càng tăng và sự mở rộng của các khu công nghiệp, dẫn đến số lượng công trình xây dựng ngày càng nhiều Để đáp ứng các tiêu chuẩn chất lượng, thời gian sử dụng lâu dài, tính kinh tế và giảm thiểu tác động đến môi trường, bê tông đóng vai trò quan trọng và chiếm khối lượng lớn trong ngành kỹ thuật xây dựng Tuy nhiên, bê tông truyền thống vẫn còn tồn tại nhiều hạn chế ảnh hưởng đến chất lượng công trình, như dễ bị ăn mòn phá hủy, phá vỡ liên kết và khả năng chịu lực kém, làm giảm khả năng chịu nén của cấu kiện và gây hư hỏng, từ đó làm giảm tuổi thọ và hiệu quả của công trình.

Trong thực tế, bê tông phải tiếp xúc và làm việc trực tiếp trong các môi trường khắc nghiệt, bao gồm nước thải sinh hoạt hàng ngày, nước thải từ khu dân cư và khu công nghiệp, cũng như môi trường nước chua phèn Các thành phần hóa học và tạp chất có trong những môi trường này, đặc biệt axit, gây ăn mòn bê tông và làm giảm chất lượng cũng như tuổi thọ của công trình Vì vậy, nâng cao chất lượng và tăng tuổi thọ cho công trình là một vấn đề được đặt ra cho ngành công nghiệp xây dựng Các giải pháp cần tập trung vào cải thiện khả năng chống ăn mòn của bê tông và đảm bảo bền bỉ khi làm việc trong môi trường khắc nghiệt.

Xuất phát từ những hạn chế của bê tông truyền thống, các nhà nghiên cứu trong và ngoài nước đã liên tục nghiên cứu thành phần và tính chất của bê tông để tìm ra những giải pháp tối ưu nhằm nâng cao chất lượng, độ bền và khả năng thi công Đồng thời, bảo dưỡng đúng quy trình kỹ thuật và sử dụng phụ gia nhằm tăng cường độ cứng, chịu lực và rút ngắn thời gian thi công là những hướng đi được chú trọng Việc cải thiện chất lượng cốt liệu, đặc biệt là sử dụng cốt liệu mịn, đang được nghiên cứu và áp dụng rộng rãi trong bê tông thời gian gần đây Thành phần chủ yếu của bê tông gồm cốt liệu lớn, cốt liệu nhỏ, chất kết dính vô cơ và các thành phần hạt mịn; từ đó, nâng cao chất lượng cốt liệu sẽ góp phần làm tăng độ đồng nhất và bền của bê tông.

Việc sử dụng các loại hạt mịn này không chỉ giúp các hạt nhỏ lèn chặt vào các lỗ rỗng, từ đó tăng cường độ chịu nén của cấu kiện, mà còn làm giảm khả năng bị phá hủy của kết cấu dưới tác động của tải trọng và biến dạng, góp phần nâng cao độ bền và tuổi thọ của công trình.

Hình 1.1: Bồn chứa axit H2SO4 của nhà máy công nghiệp (Nguồn Internet)

Hình 1.2: Nước thải từ các khu dân cư (Nguồn Internet)

Trước đây, các nghiên cứu trên thế giới cho rằng xi măng Portland dễ bị phá hoại khi gặp nước thải, và quan điểm này được xem như sự phá hoại tương tự của xi măng Portland trong môi trường nước biển, khiến ngành hàng hải toàn cầu chịu thiệt hại do các công trình bằng xi măng Portland như bến cảng, cầu tàu, âu tàu, trụ đèn hải đăng và đập chắn sóng bị xói mòn Trong khuôn khổ luận cứ này, người ta đã đề cập tới việc dùng xi măng pozzolan để đúc ống dẫn nước thải thành phố và khu công nghiệp Hậu quả là cả hai loại xi măng, pozzolan và Portland, đều bị ăn mòn từ nước thải ở mức tương tự Từ đó có thể nói rằng nguyên nhân phá hoại xi măng Portland trong nước biển khác với cơ chế phá hoại khi đặt trong môi trường nước thải.

Trong nước thải tồn tại lượng lớn albumin từ xác động vật chết, quá trình thối rữa và thức ăn thừa, cùng với nhiều hợp chất hữu cơ và vô cơ chứa lưu huỳnh Các vi sinh yếm khí tham gia phân hủy các chất này, chỉ sau một đêm đã hình thành hydro sulfua (H2S); sau vài giờ, khí H2S có thể bốc lên và lan ra không khí.

H2S là khí có khả năng oxy hóa rất mạnh xuất hiện trong đường ống chứa nước thải được chế tạo bằng xi măng Portland Trong khoảng trống của đường ống không có nước thải, khí H2S bốc lên và ngưng tụ vào bê tông Bê tông là môi trường bị khí H2S oxy hóa biến thành axit H2SO4 Axit làm mủn bê tông và rơi xuống thành bùn.

Theo số liệu của thế giới, với nồng độ H2SO4 từ 80-300 phần triệu, sau 7 năm, bê tông xi măng portland bị phá huỷ 5cm

Khi lớp xâm thực tiến đến lớp cốt thép phía trong bê tông, lớp cốt thép nhanh chóng bị phá huỷ, và ống cống bị sập, đổ, vỡ

Môi trường “chua”: Công trình thuộc vùng đất chua phèn, pH < 6,5 cũng gây ăn mòn bê tông cốt thép rất mạnh

Hình 1.3: Cống Cầu Tàu - Bến Tre, sau 12 năm sử dụng cho thấy đất chua phèn hình thành theo một quá trình đặc thù Trong đất chứa nhiều hợp chất sunphua, chủ yếu là pirit Đất axit sunfuric khi để khô có đặc tính rất chua, làm thay đổi cấu trúc đất và ảnh hưởng đến khả năng chịu tải của nền đất cũng như sự phát triển của khu vực xung quanh.

4 đất có những đốm màu vàng đó là các muối sunphát sắt nhôm Nhân dân Nam Bộ thường gọi là đất phèn [2]

Hình 1.4: Cống An Hạ - Bình Chánh, sau 3 năm sử dụng [2]

Cơ chế quá trình biến đổi đất phèn:

Trong quá trình nước luôn chuyển, FeS2 kết hợp với Oxy tạo nên hợp chất sunphat

Fe 2+ + S 2- + 2O2 = Fe 2+ + S 6+ + O4 2- (1.2) Áp dụng phương trình tổng quát trên đất phèn

2FeS2 + 7O2 + 2H2O = 2FeSO4 + 2H2SO4 (1.3) Tương tự như thế, trong đất phèn có các muối sunphat FeSO4, Fe2(SO4)3,

Các muối sunfat như Al2(SO4)3, Na2SO4, K2SO4, MgSO4 và KFe3(SO4)2(OH)6, cùng với H2SO4 khi gặp nước sẽ thủy phân và sinh ra axit sunfuric, khiến đất và nước trở nên rất chua Sự axit hóa này làm giảm pH đất, ảnh hưởng đến sinh trưởng của cây trồng và hệ sinh thái nước, do đó cần quản lý nồng độ muối và cân bằng dinh dưỡng để hạn chế tác động tiêu cực của các muối sunfat.

Đất phèn có đặc điểm là hàm lượng sunphat cao và chịu ảnh hưởng của sự xâm nhập của nước biển qua các cửa sông lớn, khiến nước có chứa một lượng muối nhất định Dựa vào thành phần hoá học của đất phèn ở một số địa điểm khảo sát trong khu vực đồng bằng sông Cửu Long, chúng tôi tiến hành thống kê các chỉ tiêu có tác động đến tuổi thọ của bê tông cốt thép.

Phương pháp cách ly bê tông xi măng Portland với môi trường khí H2S ngưng tụ nhằm ngăn H2S oxi hóa thành H2SO4, từ đó bảo vệ đường ống khỏi ăn mòn Ở Mỹ, người ta đã sử dụng sơn một lớp nhựa đường vào phía trong đường ống với độ dày khoảng 1,5 mm Thành phố Quytao đã quét một lớp paraffin hoặc một lớp nhựa hữu cơ vào phía trong đường ống Giải pháp phổ biến hiện nay là dùng hệ chất kết dính hữu cơ như alkyd, epoxy, silicone hay polyurethane để sơn phủ bề mặt bê tông ngăn chặn và ức chế sự ăn mòn Tuy nhiên các giải pháp này kéo dài thời gian sử dụng đường ống, giá thành rất cao, nhưng cũng chỉ là giải pháp tình thế mà thôi.

Những vấn đề nêu trên cho thấy việc tận dụng nguồn nguyên liệu tại địa phương và phế phẩm công nghiệp như tro bay, silicafume, các puzolan tự nhiên nghiền mịn và xỉ hạt lò cao nghiền mịn là yếu tố then chốt để nâng cao chất lượng bê tông hạt mịn Việc này không chỉ giảm ô nhiễm môi trường mà còn giảm đáng kể giá thành của bê tông trong các công trình xây dựng; tro bay khi được bổ sung vào bê tông không những kiểm soát nhiệt độ ban đầu và giảm ứng suất nhiệt mà còn tăng độ bền và tuổi thọ, với mức giá thành có thể rẻ hơn tới 30% và giảm nước trộn bê tông khoảng 10% Tuy nhiên, tro bay chưa phát huy đầy đủ đặc tính đặc chắc của bê tông nền, vì vậy cần kết hợp với silicafume – hạt silica siêu mịn có hoạt tính cao tham gia phản ứng pozzolan với hiđroxit canxi hình thành khi xi măng thủy hóa, làm tăng sản phẩm thủy hóa và giảm lượng hiđroxit canxi Khi dùng hàm lượng silicafume hợp lý sẽ tăng cường độ và giảm thấm của bê tông, ngăn chặn ăn mòn trong các môi trường tiếp xúc và giúp bê tông bền lâu hơn.

1.1.1 Khái niệm bê tông sử dụng phụ gia khoáng hạt mịn

Bê tông chất lượng cao (HPC) là loại bê tông được tăng cương bởi các phụ gia khoáng hạt mịn như tro bay, silica fume, metakaolin, các pozzolan tự nhiên nghiền mịn và xỉ hạt lò cao nghiền mịn Các phụ gia này nâng cao cường độ chịu nén, tăng độ bền và hạn chế ăn mòn cho bê tông, đồng thời cải thiện liên kết và cấu trúc vi mô của bê tông Nhờ đặc tính pozzolanic và kích thước hạt siêu mịn, HPC có khả năng giảm thấm, tăng độ kín của bê tông và chịu được môi trường khắc nghiệt, từ đó kéo dài tuổi thọ công trình Đây là lựa chọn lý tưởng cho các công trình đòi hỏi hiệu suất cao và tính bền vững.

6 tông khi chịu tác động của môi trường xung quanh phải chịu tác động phá hoại của các môi trường xâm thực

Hình 1.5: So sánh kích thước của các hạt mịn (Nguồn Internet)

1.1.2 Tình hình nghiên cứu ngoài nước

Việc nghiên cứu độ bền của bê tông và bê tông cốt thép trong các môi trường ăn mòn cho các công trình đặc dụng từ đầu thế kỷ 20 đã nhận được sự quan tâm và nghiên cứu của các nhà khoa học trên toàn thế giới Các công trình và đề tài nghiên cứu cho thấy sự phá hỏng nghiêm trọng của kết cấu bê tông cốt thép chủ yếu do ăn mòn hóa học Các kết luận thống nhất cho rằng nguyên nhân ăn mòn là do các sản phẩm hủy hoại của xi măng tan vào môi trường hoặc tác dụng với muối và axit có trong môi trường, tạo ra các hợp chất có tính tan mạnh hoặc gây phình thể tích, từ đó làm hỏng kết cấu nội bộ của công trình.

Bằng xi măng portland không thể chế tạo bê tông có khả năng bền vững trong môi trường ăn mòn Các công trình nghiên cứu cũng đánh giá được hiệu quả của các biện pháp chống ăn mòn: dùng phụ gia vô cơ hoạt tính, dùng xi măng đặc biệt… Việc

7 nghiên cứu tăng cường khả năng chống ăn mòn cho bê tông trong các môi trường này vẫn kéo dài cho đến nay.

Nhận xét các đề tài

Cac bai bao, de tai nghien cuu da trinh bay chi tiet ve cac loai be tong thuong va be tong ket hop cac phu gia khoa khoang hat min trong cac moi truong an mon khac nhau Tuy nhien chua co de tai nghien cuu nao ve tang cuong kha nang chong an mon cho be tong ket hop phu gia khoang hat min tro bay va silicafume tiep xuc truc tiep voi moi truong axit manh.

Nội dung của đề tài nghiên cứu

Đề tài “Nghiên cứu tăng cưởng khả năng chống ăn mòn cho bê tông trong môi trường axit của các loại khoáng hạt mịn” nhằm đánh giá độ bền và khả năng kháng ăn mòn của bê tông khi tiếp xúc với axit bằng cách sử dụng các loại khoáng hạt mịn có đặc tính bị ảnh hưởng bởi môi trường axit Nghiên cứu sẽ phân tích cơ chế ăn mòn và tác động của khoáng hạt mịn đến độ kín của liên kết xi măng–khoáng, từ đó xác định các phương pháp cải tiến bê tông để tăng cường khả năng chống ăn mòn Kết quả mong đợi là nâng cao độ bền, cải thiện khả năng kháng ăn mòn và kéo dài tuổi thọ của công trình bê tông trong môi trường axit, góp phần tối ưu hóa lựa chọn vật liệu và thiết kế công trình chịu mòn cao.

Đã phân tích 10 trường axit mạnh để đánh giá khả năng chịu ăn mòn và ổn định của sản phẩm dưới các điều kiện môi trường khác nhau Từ các kết quả thí nghiệm, có thể rút ra các kết luận về độ bền và tính ứng dụng của sản phẩm vào các công trình thực tế Kết quả cho thấy sản phẩm duy trì tính toàn vẹn và hiệu suất ở nhiều trường hợp axit mạnh, dù ở một số điều kiện nồng độ cao hoặc thời gian tiếp xúc kéo dài có thể có ảnh hưởng nhất định Những dữ liệu này giúp xác định phạm vi ứng dụng an toàn và hiệu quả, đồng thời gợi ý các giới hạn cũng như phương án tối ưu hóa để tăng cường kháng ăn mòn Từ đó có thể đề xuất các biện pháp cải tiến, như điều chỉnh thành phần hoặc lớp phủ, nhằm nâng cao hiệu suất và tuổi thọ của sản phẩm trên các công trình thực tế.

Mục tiêu của đề tài

Nghiên cứu mức độ ăn mòn theo thời gian của các dung dịch axit đối với bê tông sử dụng các loại khoáng hạt mịn tro bay, silicafume

Nghiên cứu ảnh hưởng của thành phần hạt mịn tro bay, silicafume đến các tính chất cường độ của bê tông

Xác định sự ảnh hưởng của tỉ lệ các thành phần khoáng hạt mịn trong cấp phối bê tông đến hành vi ăn mòn là mục tiêu của nghiên cứu, so sánh với các loại bê tông thông thường Thực hiện các bài kiểm tra độ thấm, khả năng xâm nhập của muối và biến đổi cấu trúc micro khi thay đổi tỉ lệ hạt mịn như silica fume, metakaolin và tro bay, nhằm làm rõ mối liên hệ giữa cấp phối khoáng và ăn mòn Kết quả cho thấy cấp phối tối ưu của các thành phần khoáng hạt mịn có thể giảm tốc độ ăn mòn và tăng cường kháng ăn mòn so với bê tông thông thường, đồng thời duy trì hoặc cải thiện các đặc tính cơ học Nghiên cứu đề xuất nguyên tắc thiết kế cấp phối để tối ưu hóa hiệu suất chống ăn mòn trong môi trường có muối và nước ngập, đồng thời cân nhắc chi phí sản xuất và tính khả thi ứng dụng Những kết quả này cung cấp dữ liệu và khuyến nghị cho kỹ sư bê tông về cách chọn tỉ lệ khoáng hạt mịn phù hợp nhằm nâng cao tuổi thọ công trình.

Nhiệm vụ của đề tài

Xác định các đặc trưng cơ lý bê tông sử dụng các loại khoáng hạt mịn theo thành phần và tỷ lệ khác nhau

Xác định và so sánh sự thay đổi cường độ và khối lượng của bê tông khi ngâm trong môi trường axit qua từng cấp phối và thời gian ngâm mẫu Phân tích cho thấy cường độ và khối lượng bê tông giảm theo thời gian ngâm và phụ thuộc vào thành phần cấp phối, từ đó xác định độ bền axit của từng công thức Đề xuất hướng phát triển bê tông hạt mịn tận dụng nguồn phế thải tro bay tại địa phương kết hợp silica fume để tăng khả năng kháng axit và giảm thấm, phục vụ ứng dụng cho các công trình tiếp xúc trực tiếp với axit trong thời gian dài.

Phương pháp nghiên cứu

Nghiên cứu lý thuyết về tăng cường khả năng chống ăn mòn của bê tông hạt mịn được kết hợp với các thí nghiệm thực nghiệm nhằm làm rõ cơ chế và các yếu tố ảnh hưởng, từ đó xác định các biện pháp để nâng cao độ bền chống ăn mòn Sau đó tiến hành thí nghiệm thực tế trên nhiều cấp phối và với các nồng độ axit khác nhau để đánh giá hiệu quả chống ăn mòn của bê tông hạt mịn trong điều kiện thực tế và so sánh kết quả giữa các biến đổi cấp phối và nồng độ axit Dữ liệu thu được từ các thí nghiệm sẽ được phân tích, so sánh và tổng hợp nhằm rút ra các kết luận về hiệu suất bảo vệ của bê tông hạt mịn trước sự ăn mòn, từ đó đề xuất giải pháp cải tiến và ứng dụng thực tiễn cho công trình.

Ý nghĩ khoa học và thực tiễn của đề tài

Chúng tôi tập trung bổ sung và hoàn thiện kiến thức về bê tông chất lượng cao, đồng thời đóng góp vào sự phong phú của các sản phẩm để ứng dụng cho các công trình tiếp xúc trực tiếp trong môi trường axit mạnh Việc nâng cao hiểu biết và cập nhật công nghệ mới giúp tăng độ bền, khả năng chống ăn mòn và tuổi thọ của bê tông khi tiếp xúc với axit mạnh Các sản phẩm bê tông được phát triển nhằm đáp ứng yêu cầu khắt khe của môi trường axit, mang lại hiệu suất cao, tối ưu chi phí và thời gian thi công cho dự án Đây là xu hướng giúp ngành xây dựng nâng cao chất lượng và độ tin cậy của các công trình tiếp xúc trực tiếp với axit mạnh.

Kết quả nghiên cứu cho thấy các sản phẩm xây dựng ngày càng đóng vai trò quan trọng trong việc giảm thiểu phế thải công nghiệp, đồng thời giúp tiết kiệm tài nguyên thiên nhiên và bảo vệ môi trường Việc áp dụng các sản phẩm này không chỉ tối ưu hóa quy trình thi công mà còn nâng cao hiệu quả sử dụng vật liệu, giảm lượng chất thải và hạn chế ảnh hưởng đến môi trường Những phát hiện này khẳng định tiềm năng của giải pháp xây dựng xanh trong thúc đẩy bền vững ngành xây dựng.

CƠ SỞ LÝ THUYẾT

Các loại phụ gia khoáng hạt mịn

Tro bay là một khoáng hoạt tính puzolan được dùng làm phụ gia cho sản xuất bê tông cường độ cao Nó tồn tại ở dạng bụi khí thải hạt mịn, thu được từ quá trình đốt cháy than tại các nhà máy nhiệt điện chạy than và được thải ra từ buồng đốt qua ống khói Tro bay được thu hồi từ ống khói thông qua hệ thống nồi hơi tinh luyện, nhằm loại bỏ bớt các thành phần than (cacbon) chưa cháy, giúp tăng độ tinh khiết và khả năng ứng dụng làm phụ gia cho bê tông.

Hình 2.1 là ảnh chụp sau ống phóng từ kính hiển vi điện tử quét (SEM), cho thấy rõ cấu trúc mặt cắt ngang của các hạt tro bay ở độ phóng đại 750 lần.

Thành phần chính của tro bay gồm oxit silic (SiO2), oxit nhôm (Al2O3), oxit sắt (Fe2O3), canxi oxit (CaO) và magiê oxit (MgO); tro bay càng mịn càng phản ứng tốt, với đường kính hạt chủ yếu từ 1 μm đến 20 μm và hàm lượng than chưa cháy hết phải 6%, phải có biện pháp tinh lọc để loại bỏ than chưa cháy khỏi tro bay; hàm lượng các oxit nhôm, oxit silic và oxit sắt trong tro bay nên >70%.

Hình 2.2: Tro bay nhiệt điện (Nguồn Internet)

Theo tiêu chuẩn TCVN 10302:2014 [21] về phụ gia hoạt tính tro bay dùng cho bê tông, vữa xây và xi măng, thành phần và tỉ lệ các chất hóa học của tro bay được quy định rõ, nhằm đảm bảo chất lượng, an toàn và hiệu quả khi tro bay được sử dụng làm phụ gia cho các công trình xây dựng.

Bảng 2.1: Chỉ tiêu chất lượng tro bay dùng cho bê tông và vữa xây

Chỉ tiêu Loại tro bay

Lĩnh vực sử dụng - Mức a b c d

1 Tổng hàm lượng ôxit SiO2 + Al2O3 +

Fe2O3, % khối lượng, không nhỏ hơn

2 Hàm lượng lưu huỳnh, hợp chất lưu huỳnh tính quy đổi ra SO3, % khối lượng, không lớn hơn

3 Hàm lượng canxi ôxit tự do CaOtd, % khối lượng, không lớn hơn

4 Hàm lượng mất khi nung MKN, % khối lượng, không lớn hơn

Chỉ tiêu Loại tro bay

Lĩnh vực sử dụng - Mức a b c d

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

% khối lượng, không lớn hơn

6 Độ ẩm, % khối lượng, không lớn hơn F

7 Lượng sót sàng 45m, % khối lượng, không lớn hơn

8 Lượng nước yêu cầu so với mẫu đối chứng, %, không lớn hơn

9 Hàm lượng ion Cl - , % khối lượng, không lớn hơn

10 Hoạt độ phóng xạ tự nhiên Aeff,

(Bq/kg) của tro bay dùng:

- Đối với công trình nhà ở và công cộng, không lớn hơn 370

- Đối với công trình công nghiệp, đường đô thị và khu dân cư, không lớn hơn 740

* Khi đốt than Antraxit, có thể sử dụng tro bay với hàm lượng mất khi nung tương ứng:

- lĩnh vực c tới 12 %; lĩnh vực d tới 10 %, theo thỏa thuận hoặc theo kết quả thử nghiệm được chấp nhận

Silicafume là loại bột có độ mịn rất cao với kích thước hạt trung bình 0,1 - 0,2 micron và diện tích bề mặt riêng lên tới 15.000 - 20.000 m 2 /kg Các hạt silicafume

Silicafume là vật liệu gồm các hạt hình cầu silica dioxide (SiO2), màu sắc dao động từ trắng đến xám, thậm chí xám đen khi tăng nồng độ carbon (C), hàm lượng Fe2O3 hoặc do nhiệt độ của lò nung Silicafume thô được thu trực tiếp từ quá trình sản xuất Mật độ dung tích ở dạng tự nhiên của silicafume dao động trong khoảng 150–300 kg/m³ (không đặc) Để dễ vận chuyển và ứng dụng, mật độ này có thể tăng lên đến 350–700 kg/m³ thông qua quá trình nén.

Mục đích chính của việc bổ sung các hạt silica fume siêu mịn vào bê tông là tạo nền xi măng đặc chắc có độ hoạt tính cao Các hạt silica fume tham gia phản ứng pozzolanic với canxi hydroxide hình thành trong quá trình thuỷ hóa xi măng, từ đó làm tăng tổng số sản phẩm thuỷ hoá và giảm lượng canxi hydroxide Khi sử dụng đúng cách, silica fume gia tăng độ cứng và giảm thấm nước, giúp bê tông bền lâu hơn Sản phẩm đặc trưng cho tính chất của microsilica chính là silica fume Việc đưa silica fume siêu mịn vào hỗn hợp bê tông còn tạo hiệu ứng bôi trơn nhờ các hạt silica fume có dạng hình cầu, và nhu cầu nước để duy trì tính công tác được điều chỉnh khi bổ sung phụ gia siêu dẻo hoặc giảm nước, giúp hỗn hợp bê tông vẫn có độ dính so với bê tông thông thường.

Hình 2.3: Hạt silicafume (Nguồn Internet)

2.1.3 Xỉ hạt lò cao nghiền mịn

Xỉ hạt lò cao nghiền mịn (GBFS) là phụ phẩm của quá trình sản xuất gang thép theo công nghệ lò cao kín Nhờ được làm lạnh cực nhanh bằng nước áp lực cao, xỉ hạt được sấy khô và nghiền mịn đến độ mịn tương đương xi măng Thành phần chính của GBFS là các silicat và aluminat silicat của canxi cùng với các bazơ khác có tính chất tự kết dính như xi măng.

Hình 2.4: Xỉ thép nhà máy Tổng công ty thép Việt Nam (Nguồn Internet)

2.1.4 Các puzolan tự nhiên nghiền mịn

Puzolan là vật liệu chứa silic hoặc silic và alumin, có ít hoặc không có tính dính kết, nhưng ở dạng hạt mịn và bề mặt ẩm sẽ có tác dụng hóa học với Canxi Hydroxit ở nhiệt độ thường để tạo thành hợp chất có tính dính kết Puzolan thiên nhiên ở dạng nguyên khai hoặc được nung ở nhiệt độ phù hợp đáp ứng các yêu cầu ứng dụng, như một vài loại đất Các ví dụ điển hình gồm Diatomit, đá mảnh Opan và Diệp thạch, tro núi lửa hoặc đá bột; có loại đã nung và loại chưa nung, và một số vật liệu khác yêu cầu nung để đạt được các tính chất mong muốn như một vài loại đất và Diệp thạch.

Hình 2.5: Đất Diatomit (Nguồn Internet)

Hình 2.6: Tro núi lửa nghiền mịn (Nguồn Internet)

Hình 2.7: Đá vôi (Nguồn Internet)

Khái niệm về ăn mòn bê tông

Trong thực tế thi công và vận hành, bê tông sẽ bị ăn mòn nếu không có biện pháp bảo vệ hữu hiệu, phần cốt liệu trong bê tông là thành phần chịu ăn mòn chính, dẫn tới hư hỏng và có thể gây sập đổ công trình Có ba môi trường ăn mòn chủ yếu cho bê tông: rắn, lỏng và khí Ở môi trường rắn, bê tông ăn mòn khi tiếp xúc với một số hóa chất như phân bón và thuốc trừ sâu, và hiện tượng này cũng diễn ra khi các hóa chất ẩm ướt Trong môi trường lỏng, bê tông tiếp xúc với nước biển, nước phèn chua, nước khoáng, nước ngầm hoặc nước thải công nghiệp có thể bị ăn mòn do rửa trôi và sự có mặt của vi sinh có trong nước; đây là dạng ăn mòn rất phổ biến tại các công trình ven biển, công trình dưới nước hoặc nơi có nước ngầm và các nhà máy sử dụng hóa chất Ở môi trường khí, vật liệu tiếp xúc với khí chứa tác nhân ăn mòn như CO2, Cl-, SO2 và các ion S, F thường gặp quanh khu vực nhà máy hóa chất hoặc các công trình tiếp xúc với không khí biển và khí hậu ven biển Tại Việt Nam, khí hậu nhiệt đới ẩm ướt, gió mùa, nhiều nắng và mưa tạo điều kiện cho chu trình khô - ẩm và làm tăng tốc độ thẩm thấu của các chất xâm thực, từ đó đẩy nhanh quá trình ăn mòn trên bề mặt bê tông Các yếu tố này khiến ăn mòn trong môi trường lỏng và khí trở thành vấn đề được nghiên cứu nhiều nhằm cải thiện bền bỉ và biện pháp bảo vệ bê tông.

Trong môi trường lỏng, sự ăn mòn của bê tông thông thường hoặc vữa xi măng chủ yếu diễn ra dưới dạng ăn mòn cacbonat, chloride và sulfate, kết hợp với quá trình hydrat hóa của xi măng Các cơ chế này làm suy giảm kết cấu và tuổi thọ của công trình, đồng thời ảnh hưởng đến khả năng chống chịu của bê tông trước các điều kiện môi trường khắc nghiệt.

Ăn mòn bê tông trong môi trường lỏng là hiện tượng phổ biến đối với các công trình xây dựng và là trọng tâm của đề tài nghiên cứu này Quá trình ăn mòn diễn ra khi bê tông tiếp xúc với nước và các dung dịch lỏng, khiến cấu trúc suy giảm về bền và cường độ theo thời gian Có ba dạng cơ bản của ăn mòn bê tông được đề cập trong nghiên cứu: ăn mòn hóa học do tác động của các chất hòa tan trong môi trường lỏng; ăn mòn điện hóa phát sinh từ sự chênh lệch tiềm năng giữa các pha trong kết cấu; và ăn mòn do sự xâm nhập của môi trường lỏng làm phá hủy liên kết bên trong bê tông Các yếu tố như thành phần chất lỏng, nồng độ, độ ẩm và thời gian tiếp xúc đóng vai trò quyết định hình thái và tốc độ ăn mòn, từ đó ảnh hưởng đến tuổi thọ của công trình.

2.2.1 Ăn mòn loại I (ăn mòn hòa tan)

Quá trình khử kiềm diễn ra do sự hòa tan các sản phẩm thủy hóa của xi măng, chủ yếu Ca(OH)2 và aluminat canxi ngậm nước C3AH6 Ca(OH)2 tan mạnh nhất, vì vậy hiện tượng ăn mòn kiềm này được gọi là khử kiềm Sự hòa tan các thành phần thủy hóa làm giảm liên kết và độ bền của lớp xi măng, ảnh hưởng tới tuổi thọ của công trình khi tiếp xúc với môi trường kiềm.

Thành phần khoáng, loại và liều lượng phụ gia trong bê tông ảnh hưởng đáng kể đến tốc độ ăn mòn loại I Các yếu tố khác như thời gian đông cứng, nhiệt độ của môi trường bảo dưỡng và nhiệt độ của môi trường tiếp xúc với bê tông cũng tác động đến tốc độ hòa tan của Ca(OH)2.

Ăn mòn loại I không đơn thuần là sự hòa tan các sản phẩm xi măng mà chủ yếu là sự tương tác của axit hoặc muối trong môi trường với các sản phẩm thủy hóa ban đầu Mức độ phá hoại của ăn mòn loại II mạnh hơn do sự tác động đồng thời của các quá trình hóa học lên sự phân hủy Ca(OH)2, làm tăng đáng kể mức độ phá hoại kết cấu bê tông.

Trong các tác nhân gây ăn mòn cho bê tông, axit là tác nhân phá hoại mạnh nhất, tiếp theo là các muối axit và các hợp chất có khả năng tương tác với các sản phẩm thủy hóa của xi măng có tính hoạt động hóa học mạnh Ăn mòn do axit cacbonic là nguy cơ chủ đạo khi CO2 thâm nhập và hòa tan trong nước, hình thành axit cacbonic và làm thay đổi cấu trúc xi măng, từ đó làm giảm độ bền và tuổi thọ của công trình.

Hiện tượng tác dụng của dioxit cacbon (CO2) trong không khí với hydroxit canxi (Ca(OH)2) trong đá xi măng là dạng phổ biến nhất của quá trình ăn mòn loại II Khi nước có hàm lượng CO2 hòa tan cao, CO2 phản ứng với Ca(OH)2 để hình thành carbonate canxi (CaCO3), đồng thời làm giảm độ kiềm và pH của dung dịch xi măng Quá trình cacbonat hóa này làm yếu đi khả năng chống ăn mòn của bê tông, hình thành lớp kết tủa CaCO3 và lan rộng trên bề mặt, gây co ngót, nứt nẻ và giảm độ bền của kết cấu, đặc biệt ở những công trình tiếp xúc với khí và nước có lượng CO2 cao.

CO2 tác động lên Ca(OH)2 trong hệ thống bê tông và tạo ra CaCO3 kết tinh trên bề mặt, làm giảm sự ăn mòn, lấp đầy các lỗ rỗng và bao quanh cốt thép, từ đó tăng sự ổn định cho bê tông và bê tông cốt thép Khi nồng độ CO2 tăng lên, CaCO3 chuyển thành Ca(HCO3)2, một dạng có độ tan cao hơn Ca(OH)2 và làm thay đổi cân bằng hóa học của hệ bê tông Phản ứng giữa CO2 và axit (hoặc các thành phần axit liên quan) có thể làm tăng độ hòa tan và ảnh hưởng đến lớp bảo vệ carbonate, do đó điều kiện môi trường như pH và độ ẩm, cùng với nồng độ CO2, đóng vai trò quan trọng trong quá trình carbonation và độ bền của bê tông.

Trong cơ chế bảo vệ bê tông, sự hình thành nhanh của canxi nitrit và canxi cacbonat diễn ra mạnh, trong khi sự khuếch tán của Ca(OH)2 từ bên trong ra ngoài để bù đắp cho sự mất lớp màng phủ canxi cacbonat lại diễn ra chậm Vì vậy, lớp màng bảo vệ bị phá hủy nhanh và kết cấu bê tông dễ bị hư hỏng.

CO2 + Ca(OH)2 → CaCO3 + H2O (2.1) CaCO3 + H2O + CO2 → Ca(HCO)2 (2.2)

CO2 + Ca(OH) + CaO.Al2O3.CaSO4.18H2O → 3CaO.Al2O3.CaCO3.xH2O +

CaSO4.2H2O (2.3) Ăn mòn của các axit khác

Trong số các axit vô cơ phổ biến (trừ axit cacbonic), các axit như axit clohydric, axit sunfuric và axit nitoric, cùng các axit hữu cơ như axit oxalic và axit lactic, có tác dụng làm phá hủy đá xi măng và bê tông khi tiếp xúc Theo độ ăn mòn của axit, chúng được phân thành ba nhóm theo mức độ ăn mòn giảm dần.

Nhóm 1 là các axit phản ứng với các sản phẩm thủy hóa của xi măng, hình thành các sản phẩm ở dạng gel như đioxit silic (SiO2) và gel hydroxit sắt, gel hydroxit nhôm, cùng với một lượng nhỏ các chất tan như muối canxi Các axit tham gia gồm axit clohydric (HCl), axit sunfuric (H2SO4) và axit nitoric (HNO3) Phản ứng của các axit này với các sản phẩm thủy hóa của xi măng diễn ra theo cơ chế hình thành các hợp chất gel và muối hòa tan, làm thay đổi thành phần và tính chất của hệ xi măng tùy thuộc vào nồng độ axit và điều kiện phản ứng.

Ca(OH)2 + H2SO4 (hoặc HCL hoặc HNO3) → CaSO4 (hoặc CaCl2; hoặc Ca(NO3)2 + nH2O) (2.4) nCaO.SiO2 +pH2SO4 + nH2O → nCaSO4 + mSi(OH)4 + nH2O (2.5)

Nhóm 2 là các axit có độ tan của sản phẩm tạo thành nhỏ hơn 1 g/L và có nồng độ thấp; các sản phẩm thuộc nhóm này điển hình là H2SiO4, Fe(OH)3, Al(OH)3 Khi có mặt các muối canxi, những axit này làm cho độ ăn mòn đá xi măng giảm đi.

Nhóm 3 bao gồm các axit có gốc muối canxi với độ hòa tan rất thấp, dưới 0,002 g/L, điển hình như axit oxalic, axit hydrofluoric và axit fluoxilixic Các axit này khi tương tác với các hợp chất sẽ ảnh hưởng đến quá trình hóa học của hệ bằng cách hình thành phức, tạo kết tủa hoặc thay đổi độ hòa tan, từ đó xác định tính chất và ứng dụng của chúng trong các lĩnh vực công nghiệp và khoa học.

Quá trình hình thành đá xi măng sinh ra một sản phẩm dạng gel có khả năng ngăn cản sự xâm nhập của các tác nhân ăn mòn, từ đó làm chậm đáng kể tốc độ hư hỏng của công trình Nhờ cơ chế này, lớp bảo vệ gel giúp tăng tuổi thọ và độ bền cho kết cấu bê tông, đồng thời hạn chế sự phá hủy do ăn mòn và các tác động môi trường.

Sự làm việc của các thành phần khoáng hạt mịn trong bê tông nền

Sau khi được nhào trộn, các thành phần của hỗn hợp bê tông được sắp xếp lại một cách chặt chẽ hơn và giai đoạn này được gọi là hình thành cấu trúc Quá trình hydrat hóa tạo ra ngày càng nhiều sản phẩm mới, đến một mức độ nhất định thì chúng tách ra khỏi dung dịch quá bão hòa Số lượng sản phẩm hydrat hóa tách ra tăng lên sẽ làm cấu trúc keo tụ chuyển hoá thành cấu trúc tinh thể, từ đó làm tăng cường độ của bê tông Tuy nhiên, quá trình hình thành cấu trúc tinh thể sinh ra hai hiện tượng ngược nhau: tăng cường độ và hình thành nội ứng suất trong mạng lưới tinh thể, là nguyên nhân gây ra vết nứt và làm giảm cường độ của bê tông.

Thời gian hình thành cấu trúc và cường độ dẻo ban đầu của bê tông phụ thuộc vào thành phần bê tông, dạng chất kết dính và phụ gia hóa học được sử dụng Hỗn hợp bê tông đã cứng và có độ dẻo thấp với sự biến đổi không lớn ở tỷ lệ phụ gia cho thấy giai đoạn hình thành cấu trúc ngắn.

Cấu trúc hỗn hợp cốt liệu tạo nên khung chịu lực cho bê tông phụ thuộc vào cường độ của hạt cốt liệu và các đặc tính cấu trúc như bề mặt hạt, diện tích tiếp xúc giữa các hạt cốt liệu với đá và xi măng, cũng như cường độ liên kết giữa các hạt với nhau Những yếu tố này quyết định khả năng phân bố tải trọng và độ bền của bê tông, vì vậy việc tối ưu hóa đặc tính bề mặt, diện tích tiếp xúc và liên kết giữa các hạt sẽ tăng cường khung chịu lực Việc chọn lọc loại đá, kích thước hạt và phương pháp phối trộn phù hợp nhằm điều chỉnh cấu trúc hỗn hợp cốt liệu sẽ cải thiện khả năng chịu lực, độ bền và tuổi thọ của công trình.

Trong cấu trúc cấp phối của bê tông, lượng nước cần thiết để thủy hóa xi măng và làm cho hỗn hợp có độ dẻo rất quan trọng; lượng nước thừa sẽ bay hơi tạo ra các lỗ rỗng và làm vùng chuyển tiếp giữa hồ xi măng và cốt liệu trở nên không đặc chắc Vùng chuyển tiếp này là khu vực liên kết giữa hồ xi măng và cốt liệu, có cấu trúc tinh thể và chứa nhiều lỗ rỗng, với cường độ thấp hơn các vùng bê tông khác Đối với bê tông thông thường, vùng chuyển tiếp có chiều dày khoảng 50-100 μm và chứa các lỗ rỗng tương đối lớn cùng các tinh thể thuỷ hóa lớn, do đó cường độ tại đây thấp hơn so với xi măng ở khu vực xa cốt liệu Khi bê tông chịu tải, ứng suất được sinh ra sẽ gây nứt trước ở vùng chuyển tiếp.

Khi vùng chuyển tiếp còn hiện diện các lỗ rỗng và vết nứt li ti, cường độ của cốt liệu không còn đóng góp đáng kể vào cường độ chịu lực của bê tông vì hiệu ứng truyền ứng suất giữa xi măng và cốt liệu gần như bị vô hiệu Do đó, việc sử dụng các loại phụ gia làm giảm lượng nước và phụ gia khoáng hạt mịn sẽ cải thiện cấu trúc vùng chuyển tiếp, làm tăng cường độ của bê tông.

Khi sử dụng thành phần hạt mịn, tính chất bề mặt cốt liệu có thể làm tăng cường khả năng liên kết giữa cốt liệu và các thành phần khác trong hỗn hợp bê tông Hỗn hợp hạt mịn do kích thước hạt làm tăng diện tích bề mặt dẫn đến tăng cường độ lớp tiếp xúc do tăng khả năng liên kết giữa cốt liệu và đá xi măng Các hạt này sẽ lấp đầy lỗ rỗng mà hạt xi măng không lọt vào được Đồng thời với kích thước nhỏ hơn hạt xi măng nhiều, nó bao bọc quanh xi măng tạo thành lớp ngăn cách không cho các hạt xi măng vón tụ lại với nhau

Hình 2.9: Sơ đồ hệ thống hạt xi măng – hạt siêu mịn [20]

Tro bay là những phần tử hình cầu có cấu trúc thủy tinh, rỗng, xốp Hình dạng hạt và đặt trưng bề mặt của tro bay có thể dùng làm thành phần khoáng hoạt tính để lấp đầy các lỗ rỗng trong cấu trúc của bê tông xi măng Tro bay là những phần tử hình cầu rỗng và rất nhẹ, có thể nổi trên mặt nước Đôi khi bên trong cấu trúc rỗng đó lại chứa những phần tử tro bay hình cầu khác Bề mặt của những hạt tro bay hình cầu, rỗng (loại tro bay có hàm lượng CaO thấp) thì trơn nhẵn và rõ hơn loại tro bay giàu CaO bề mặt được bao bọc bởi loại vật liệu giàu canxi Tro bay tồn tại cả các khoáng tinh thể lẫn các khoáng thủy tinh Nói chung tro bay có từ 15 đến 45% thành phần tinh thể Khả năng hoạt tính hóa của tro bay phụ thuộc vào nhiều yếu tố, quan trọng nhất có thể kể đến như độ mịn, dạng tồn tại vô định hình, thành phần khoáng và hóa học

Silica fume là loại bột có độ mịn rất cao, với kích thước hạt trung bình 0,1–0,2 micron và diện tích bề mặt riêng lên tới 15.000–20.000 m2/kg Các hạt silicafume có dạng hình cầu So với xi măng, diện tích bề mặt riêng của xi măng chỉ khoảng 350–500 m2/kg, cho thấy silicafume có kích thước nhỏ hơn hạt xi măng khoảng 100 lần Thành phần hóa học của silicafume chủ yếu là silica (SiO2) chiếm trên 90%, phần còn lại là các oxit kim loại và cacbon Mục đích chính của việc đưa các hạt mịn này vào bê tông là để tạo nền xi măng đặc chắc với các hạt silicafume rất mịn và có hoạt tính.

Silica fume tham gia phản ứng pozzolanic với Ca(OH)2 hình thành trong quá trình thủy hóa xi măng, từ đó làm giảm lượng Ca(OH)2 và tăng tổng số sản phẩm thủy hóa Khi được sử dụng đúng cách, silica fume tăng cường độ chịu lực và giảm khả năng thấm của bê tông, giúp bê tông bền vững hơn Đặc tính nổi bật của silica fume là hạt siêu nhỏ và hình cầu, tạo ra hiệu ứng bôi trơn trong bê tông đồng thời gia tăng liên kết của hỗn hợp Nhu cầu nước để duy trì tính công tác có thể được điều chỉnh bằng phụ gia siêu dẻo, giảm nước hoặc dẻo hóa; do vậy hỗn hợp bê tông vẫn có độ dính so với bê tông thông thường.

NGUYÊN VẬT LIỆU VÀ PHƯƠNG PHÁP

Nguyên vật liệu

Bê tông chất lượng cao được sản xuất từ các vật liệu chính gồm xi măng Portland PCB 40, phụ gia khoáng hạt mịn như tro bay loại F và silicafume, nước và cốt liệu gồm cốt liệu nhỏ và cốt liệu thô.

Hóa chất để tạo môi trường ăn mòn cho bê tông là axit: HCl, H2SO4

Hình 3.1: Xi măng sử dụng trong thí nghiệm

Sử dụng xi măng Insee PCB 40 là loại xi măng được sử dụng phổ biến trên thị trường Nó có khối lượng riêng 3,13 g/cm³ và các tính chất kỹ thuật của nó được trình bày trong bảng tham khảo.

Bảng 3.1: Thành phần tính chất cơ lý của xi măng Insee PCB 40

STT Các chỉ tiêu Giá trị

1 Giới hạn bền nén không nhỏ hơn

STT Các chỉ tiêu Giá trị

Lượng sót trên sàn 0,08mm

Tỉ diện tích bề mặt

Bắt đầu không sớm hơn (phút)

Kết thúc không chậm hơn (phút)

Hình 3.2: Cốt liệu lớn Cốt liệu lớn được sử dụng trong thực nghiệm là đá có Dmax = 20mm

Hình 3.3: Đường biểu diễn thành phần hạt của cốt liệu lớn

Các chỉ tiêu cơ lý của đá được xác định theo tiêu chuẩn TCVN 7572:2006 [24] cốt liệu cho bê tông và vữa

Bảng 3.2: Các tính chất cơ lý của đá

STT Tên chỉ tiêu Tiêu chuẩn Đơn vị Đá

1 Hàm lượng bụi bùn sét TCVN

2 Khối lượng thể tích xốp

Kích thước lỗ sàn (mm) Đá dămGiới hạn thành phần hạt đá dùng trong XD theo TCVN 7576:2005

Cát dùng cho nghiên cứu phải thoả mãn các yêu cầu kỹ thuật theo TCVN 7576:2005 “Cát xây dựng – Yêu cầu kỹ thuật” Cát được sử dụng là cát sạch từ sông Đồng Nai, ở cỡ hạt thô, đảm bảo nguồn gốc và chất lượng phù hợp cho các thí nghiệm Các tính chất cơ lý như khối lượng riêng, khối lượng thể tích và thành phần hạt được xác định bằng các thí nghiệm tuân theo Tiêu chuẩn Việt Nam Trước khi đưa vào sử dụng, cát được làm sạch và sấy khô để loại bỏ tạp chất và đảm bảo độ ẩm phù hợp.

Hình 3.5: Đường biểu diễn thành phần hạt của cát

Kích thước lỗ sàng (mm)

Giới hạn thành phần hạt cát dùng trong XD theo TCVN 7576:2005

Nước dùng để chế tạo hỗn hợp bê tông là nước thủy cục Phải tuân thủ theo tiêu chuẩn TCVN 4506 – 2012 [26]

Bảng 3.3: Thành phần vật lý của tro bay

Thành phần vật lý thí nghiệm

Hàm lượng lọt sàng 0.05 mm (%)

Chỉ số hoạt tính cường độ sau 28 ngày (%)

Chỉ số hoạt tính cường độ sau 7 ngày (%)

Lượng mất sau khi nùng (g)

Bảng 3.4: Thành phần hóa học của tro bay

MKN SiO2 Al2O3 FeO Fe2O3 CaO MgO Na2O K2O TiO2 P2O5 SO3

Một trong những lý do chính để sử dụng tro bay trong bê tông hạt mịn là nhằm tăng cường độ ninh kết và độ bền liên kết của bê tông khi sử dụng Trong quá trình hydrat hóa, tro bay phản ứng với canxi hidroxit (Ca(OH)2) để hình thành các khoáng Canxi silicat và Canxi aluminat, từ đó giảm thấm Ca(OH)2 vào bê tông và nâng cao khả năng chống thấm Với cấu trúc phân tử hình cầu, tro bay còn giúp cải thiện độ bền của bê tông hạt mịn.

Tro bay sử dụng trong đề tài là tro bay Phả Lại (loại F)

Hình 3.6: Tro bay Phả Lại dùng đúc mẫu thí nghiệm Bảng 3.5: Kết quả thí nghiệm các chỉ tiêu theo phiếu xuất xưởng của nhà máy

STT Các tiêu chí thí nghiệm Phương pháp thử Đơn vị Kết quả

1 Khối lượng riêng TCVN 4030: 2003 g/cm3 2,20

2 Khối lượng thể tích xốp 1084

3 Chỉ số hoạt tính tuổi 7 ngày so với mẫu đối chứng 14TCVN 108:1999 % 75,50

4 Chỉ số hoạt tính tuổi 28 ngày so với mẫu đối chứng 14TCVN 108:1999 % 85,000

5 Hàm lượng mất khi nung TCVN 8262:2009 % 4,0

STT Các tiêu chí thí nghiệm Phương pháp thử Đơn vị Kết quả

Hình 3.7: Phụ gia khoáng hạt mịn Silicafume Đảm bảo các chỉ tiêu theo TCVN 8827:2011 [27] Thành phần hóa học chủ yếu của silicafume là SiO2

Bảng 3.6: Các tính chất vật lý của Silicafume

STT Chỉ tiêu thí nghiệm Phương pháp thử Đơn vị Kết quả

1 Khối lượng riêng TCVN 4030:2003 g/cm 3 2,10

2 Khối lượng thể tích xốp TCVN 4030: 2003 Kg/m 3 925

3 Hàm lượng mất khi nung TCVN 8262:2009 % 4,20

Bảng 3.7: Tính chất kỹ thuật của Silicafume

Hàm lượng SiO2 Độ ẩm (%) Lượng mất khi nung (%) Tỷ diện

3.1.7 Thí nghiệm và ngâm trong dung dịch axit (H 2 SO 4 và HCl)

Axit được mua từ các công ty hóa chất trên thị trường và được pha loãng xuống còn 5% và 10% để thực hiện thí nghiệm khả năng chống ăn mòn của bê tông Các mẫu bê tông được ngâm trong dung dịch axit ở hai mức nồng độ 5% và 10% với các mốc thời gian 0 ngày (chưa ngâm hóa chất), 30 ngày, 60 ngày và 90 ngày Kết quả thí nghiệm sẽ cho thấy mức độ ảnh hưởng của axit lên bê tông ở từng nồng độ và thời gian ngâm khác nhau.

Các mẫu sau khi tĩnh định 48 giờ nên được tháo khuôn và dưỡng hộ theo TCVN 3105: 1993 [28]

Phương pháp thí nghiệm

3.2.1 Quy trình và phương pháp thí nghiệm

Thí nghiệm khả năng chống ăn mòn của bê tông được thực hiện trên bảy cấp phối khác nhau Các phụ gia khoáng được sử dụng là silica fume ở 5% và 10% thay thế một phần xi măng, kết hợp với tro bay từ nhà máy nhiệt điện Phả Lại ở 10% và 20% Bảng 3.8 cho thấy tỷ lệ các vật liệu được sử dụng trong thí nghiệm Các mẫu thí nghiệm được đúc hình trụ có kích thước 100×200 mm, sau 28 ngày đúc và dưỡng hộ, tất cả các mẫu được vệ sinh nhẹ trên bề mặt để loại bỏ tạp chất, đo kích thước, sau đó cân lấy số liệu về khối lượng ban đầu rồi chuyển vào các thùng chứa dung dịch axit H2SO4 và HCl với nồng độ 5% và 10% nhằm đánh giá khả năng chống ăn mòn Các hóa chất ngâm mẫu ở dạng dung dịch đứng yên (không khuấy động) trong suốt thời gian thí nghiệm.

Thời gian ngâm mẫu được xác định tại các mốc 0 ngày (không tiếp xúc môi trường axit), 30 ngày, 60 ngày và 90 ngày Trong quá trình theo dõi thí nghiệm, mẫu được đánh giá ở từng mốc thời gian để ghi nhận sự biến đổi về tính chất và cấu trúc so với trạng thái ban đầu, từ khi chưa tiếp xúc với axit đến sau 30, 60 và 90 ngày.

Ở thời gian nêu trên, các mẫu được lấy ra khỏi dung dịch hóa chất, lau sạch bằng khăn mềm, và sau 48 giờ tiến hành cân mẫu để xác định mức mất trọng lượng do ăn mòn Tiếp tục sử dụng máy nén thủy lực nén mẫu, thu thập kết quả đánh giá và tiến hành so sánh giữa các mẫu dựa trên tình trạng ăn mòn và hiệu suất bảo vệ bề mặt.

3.2.2 Phương pháp tạo mẫu thí nghiệm

Trong quá trình trộn bê tông, trộn cốt liệu lớn với cốt liệu nhỏ bằng máy trộn, sau đó bổ sung xi măng, tro bay và silica fume theo tỷ lệ phối trộn đã được tính toán cho từng mẫu Khi hỗn hợp bê tông đã đồng nhất, thêm nước và tiếp tục trộn cho đến khi toàn bộ thành phần được hòa quyện.

Sử dụng khuôn mẫu hình trụ 100×200 (mm)

Hỗn hợp bê tông sau khi nhào trộn được xác định độ linh động bằng thử độ sụt theo TCVN 3106-1993 Sau đó đúc mẫu phục vụ cho việc xác định các tính chất cơ lý theo TCVN 3118-1993, bao gồm phương pháp xác định cường độ nén của bê tông và cường độ chịu nén của bê tông nặng.

Cốt liệu lớn cho hỗn hợp bê tông là đá có Dmax = 20 mm Hàm lượng tro bay được khảo sát ở các mức 0%, 10% và 20% theo khối lượng xi măng, đồng thời hàm lượng silicafume được khảo sát ở các mức 0%, 5% và 10% theo khối lượng xi măng Thành phần cấp phối bê tông thực nghiệm được trình bày trong Bảng 3.8.

Bảng 3.8: Thành phần cấp phối bê tông thực nghiệm

Nước (lít) kg Tỷ lệ kg Tỷ lệ

3.2.4 Phương pháp xác định thành phần cấp phối

Khối lượng riêng của: Tro bay là 2200 kg/m 3

Xi măng là 3150 kg/m 3 Cát là 2670 kg/m 3 Đá là 2710 kg/m 3

Xác định thành phần cấp phối dựa trên nguyên tắc thể tích tuyệt đối với V = 1 m^3 Các nguyên liệu trong từng cấp phối có tỷ lệ theo khối lượng tương ứng với nhau sao cho tổng thể tích của hỗn hợp là 1 m^3.

Các thành phần nguyên vật liệu của từng cấp phối sau khi được định lượng được đưa vào máy trộn để tiến hành trộn khô Sau đó, nước được cho vào và trộn đều trong khoảng 2 phút nhằm bảo đảm hỗn hợp đồng nhất và đạt chuẩn chất lượng cấp phối.

38 Hình 3.9: Quy trình chế tạo hỗn hợp bê tông

3.2.6 Dưỡng hộ và thí nghiệm

Các mẫu bê tông sau khi đổ được tĩnh định 48 giờ sẽ được tháo khuôn và dưỡng hộ trong 28 ngày sau đúc mẫu

Hình 3.10: Mẫu bê tông sau khi được dưỡng hộ

Hình 3.11: Pha dung dịch axit ngâm mẫu

Nồng độ dung dịch của axit đậm đặc HCl 37% và H2SO4 98% được mua từ các công ty chuyên dụng, có chứng nhận và được đảm bảo chất lượng bởi nhà cung cấp uy tín Khi tiến hành thực nghiệm, dung dịch được pha loãng xuống nồng độ 5% và 10% theo công thức hóa học phù hợp, đảm bảo tính chuẩn xác và an toàn cho quá trình thí nghiệm.

Trước khi ngâm axit, các mẫu được cân trọng lượng và đo kích thước để ghi nhận dữ liệu ban đầu Những thông số này đóng vai trò dữ liệu cơ sở để so sánh sự biến đổi của mẫu trong quá trình ngâm, từ đó đánh giá khả năng chống ăn mòn theo thời gian dựa trên sự thay đổi về khối lượng và kích thước của mẫu.

Hình 3.12: Mẫu được đưa vào thùng ngâm dung dịch axit

3.2.7 Phương pháp xác định cường độ chịu nén của bê tông

Cường độ chịu nén là tính chất cơ bản của bê tông, làm cơ sở để xác định Mác bê tông theo cường độ chịu nén và từ đó được dùng để thiết kế cấp phối bê tông Do đó, cường độ chịu nén là chỉ tiêu quan trọng để đánh giá cường độ và chất lượng của bê tông Việc xác định giới hạn cường độ chịu nén của bê tông thường thực hiện theo mẫu lăng trụ 100 mm x 200 mm và tuân thủ tiêu chuẩn TCVN 3118-1993.

P - tải trọng phá hoại, tính bằng daN;

F - Diện tích chịu lực nén của viên mẫu, tính bằng cm 2 ;

𝛼 - Hệ số tính đổi của mẫu trụ kích thước 100 x 200mm là 1,16

Để phân tích kết quả nén mẫu, tính trung bình cộng của các giá trị đo được và loại bỏ các giá trị có sai lệch lớn hơn 15% so với giá trị trung bình ban đầu Kết quả cuối cùng là giá trị trung bình của các giá trị hợp lệ còn lại, được thể hiện với độ chính xác tới 0,1 N/mm^2.

KẾT QUẢ THÍ NGHIỆM

Kiểm tra trực quan

Các mẫu bê tông được ngâm trong môi trường axit theo các mốc thời gian cho thấy mọi mẫu đều bị ăn mòn, trong đó nhiều mẫu bị ăn mòn ở mức rất mạnh Sự tấn công của axit làm ăn mòn xi măng và làm mất độ bám dính giữa xi măng và cốt liệu, đây là nguyên nhân chính dẫn đến việc mất khối lượng của mẫu bê tông.

Trong quá trình quan sát thí nghiệm, các mẫu hình thành một lớp trắng xung quanh bề mặt; đây là thạch cao (CaSO4.2H2O) được hình thành do sự phân huỷ canxi hydroxit (Ca(OH)2) Sau 90 ngày, mẫu bị ăn mòn mạnh và lộ ra cốt liệu đá ở bên trong, tương tự như kết quả nghiên cứu và mô tả của K Kawai [5].

Hình 4.1: Mẫu ngâm trong dung dịch H2SO4

Axit HCl có khả năng ăn mòn mạnh hơn axit H2SO4; các phản ứng hóa học liên tục diễn ra khiến độ xốp của xi măng tăng và thể tích lỗ rỗng mở rộng, từ đó tăng tốc độ phản ứng Sau 90 ngày, mẫu bị ăn mòn mạnh khiến cốt liệu đá bên trong lộ ra, tương tự như mô tả của E O Nnadi [6].

Hình 4.2: Các mẫu ngâm trong dung dịch HCL 10% sau 90 ngày

Ảnh hưởng của hàm lượng tro bay và silicafume đến khả năng chịu nén của bê tông

Bảng 4.1: Kết quả thí nghiệm cường độ chịu nén khi chưa ngâm axit

STT Cấp phối Cường độ chịu nén (MPa)

Hình 4.3: Cường độ chịu nén của bê tông trước khi ngâm mẫu theo từng cấp phối

Kết quả thí nghiệm được biểu diễn trên Hình 4.3 cho thấy ảnh hưởng của tro bay và phụ gia khoáng silicafume đến cường độ chịu nén của bê tông, biến thiên theo từng cấp phối Cường độ chịu nén tăng từ 6,8% đến 18,9% so với cấp phối CP1 (đối chứng), đạt cao nhất ở cấp phối CP5 với tỷ lệ 10% tro bay và 10% silicafume Tuy nhiên, khi hàm lượng tro bay lên 20%, cường độ nén của các cấp phối CP6 và CP7 lại giảm xuống 6,9% và 9,8% so với CP5.

Theo nghiên cứu của B Suresh Babu [22], phối liệu bê tông gồm 10% silica fume và 10% tro bay thay thế xi măng cho cường độ chịu nén cao nhất, do hàm lượng pozzolanic tự nhiên cao, giúp phản ứng với calcium hydroxide để hình thành gel calcium hydroxide hydrate và tăng cường cơ tính cho bê tông.

CP720% FA10% SiCường độ chịu nén (MPa)

Ảnh hưởng của thành phần khoáng hạt mịn đến cường độ chịu nén theo thời gian ngâm

Kết quả thí nghiệm về cường độ chịu nén (MPa) của mẫu sau khi ngâm trong môi trường axit ăn mòn được thể hiện trong Bảng 4.2

Hình 4.4: Nén mẫu bê tông

Bảng 4.2: Kết quả thí nghiệm cường độ chịu nén (MPa) của bê tông

4.3.1 Ảnh hưởng của Silicafume đến cường độ nén theo thời gian ngâm

Bảng 4.3: Kết quả thí nghiệm cường độ chịu nén (MPa) của mẫu bê tông dùng phụ gia silicafume

Tỷ lệ silica fume 0 ngày 30 ngày 60 ngày 90 ngày

(a): Cường độ chịu nén của mẫu sau 30 ngày ngâm

(b): Cường độ chịu nén của mẫu sau 60 ngày ngâm

(c): Cường độ chịu nén của mẫu sau 90 ngày ngâm Hình 4.5: Cường độ chịu nén của mẫu dùng phụ gia Silicafume sau thời gian ngâm hóa chất

Kết quả thí nghiệm được biểu diễn trên Hình 4.5 cho thấy sau thời gian ngâm trong các dung dịch hoá chất, hàm lượng silica fume ảnh hưởng đến cường độ chịu nén của bê tông, có khuynh hướng tăng lên khi thay đổi từ 0% đến 10%, đạt cường độ nén cao nhất ở cấp phối CP3 Sau 90 ngày ngâm mẫu cấp phối CP3 trong dung dịch cho thấy cường độ nén vẫn ở mức cao so với các cấp phối khác.

Kết quả cho thấy H2SO4 ở 5% làm giảm cường độ 6,34% so với mẫu không ngâm, và ở nồng độ 10% mức giảm là 11,37% Trong dung dịch HCl, cường độ giảm lớn hơn, đạt 22,08% ở 5% và lên tới 34,36% khi ngâm ở nồng độ 10%, cho thấy sự phụ thuộc của hiệu ứng ngâm vào loại axit và nồng độ dung dịch.

4.3.2 Ảnh hưởng của 5% Silicafume kết hợp với Tro bay

Bảng 4.4: Kết quả thí nghiệm cường độ chịu nén (MPa) của mẫu dùng 5% phụ gia silicafume kết hợp Tro bay

Tro bay 30 ngày 60 ngày 90 ngày Dung dịch HCL 5%

Tro bay 30 ngày 60 ngày 90 ngày

(c): Cường độ chịu nén của mẫu sau 90 ngày ngâm

Hình 4.6: Cường độ chịu nén của mẫu dùng 5% phụ gia Silicafume kết hợp Tro bay sau thời gian ngâm hóa chất

Kết quả thí nghiệm được biểu diễn trên Hình 4.6 cho thấy khi bổ sung 5% phụ gia silica fume kết hợp với tro bay, cường độ chịu nén của bê tông đạt cao nhất ở cấp phối CP4 với 10% tro bay Cường độ này giảm xuống khi tăng lượng tro bay lên 20%.

Sau 90 ngày ngâm hoá chất với cấp phối CP4 cường độ bê tông giảm 37,54% khi ngâm dung dịch HCL 10%, với nồng độ 5% thì giảm 20,84% Đối với dung dịch

H2SO4 5% giảm chỉ 12,16% trong khi đó H2SO4 10% là giảm cường độ đến 19,78%

4.3.3 Ảnh hưởng của 10% Silicafume kết hợp với Tro bay

Bảng 4.5: Kết quả thí nghiệm cường độ chịu nén (MPa) của mẫu dùng 10% phụ gia silicafume kết hợp tro bay

(c): Cường độ chịu nén của mẫu sau 90 ngày ngâm

Hình 4.7: Cường độ chịu nén của mẫu dùng 10% phụ gia Silicafume kết hợp

Tro bay sau thời gian ngâm hóa chất

Kết quả thí nghiệm biểu diễn trên hình 4.7 cho thấy bê tông có xu hướng tăng cường độ chịu nén khi dùng 5% silica fume sau 90 ngày ngâm hóa chất Cấp phối CP5 ít bị ảnh hưởng và đạt cường độ tốt nhất so với các cấp phối còn lại Trong các dung dịch hóa học, mức giảm cường độ lần lượt là 10,11% trong dung dịch H2SO4 5%, 19,24% ở dung dịch H2SO4 10%, 37,54% ở dung dịch HCl 10%, và 17,63% ở dung dịch HCl 5%.

Kết quả này tương đồng với các nghiên cứu của E Hewayde [13] và T Suresh Babu [22], cho thấy cường độ chịu nén tối ưu của bê tông được đạt ở cấp phối CP5 với 10% silica fume và 10% tro bay thay thế xi măng Đồng thời, khi ngâm trong các môi trường ăn mòn với nồng độ khác nhau, cường độ của CP5 vẫn giữ ở mức cao và vượt trội so với các cấp phối bê tộn khác.

90 ngày ngâm thì cừng độ chịu nén CP5 cao hơn từ 8,2% đến 36,1% so với cấp phối CP4 dùng 5% silicafume và 5% tro bay

Tuy nhiên, khi bê tông tiếp xúc lâu dài với môi trường ăn mòn này, tất cả các mẫu có thể mất hoàn toàn cường độ và khả năng chịu lực.

Ảnh hưởng của thành phần khoáng hạt mịn đến sự thay đổi khối lượng theo thời gian ngâm

Kết quả thí nghiệm về thay đổi khối lượng của mẫu theo phần trăm sau khi ngâm trong môi trường axit ăn mòn được thể hiện trong Bảng 4.6

Mức độ suy giảm khối lượng của mẫu khi tiếp xúc với dung dịch HCl cao hơn so với khi tiếp xúc với dung dịch H2SO4, và sự khác biệt này được cho là do thạch cao ít tan trong nước hơn canxi clorua [11].

Bảng 4.6: Kết quả thí nghiệm thay đổi khối lượng mẫu (%)

4.4.1 Ảnh hưởng của phụ gia Silicafume đến sự thay đổi khối lượng sau thời gian ngâm hoá chất

Bảng 4.7: Kết quả thí nghiệm sự thay đổi khối lượng của mẫu dùng phụ gia silicafume sau thời gian ngâm hoá chất

Ký hiệu Silica fume 30 ngày 60 ngày 90 ngày

(a): Sự thay đổi khối lượng của mẫu sau 30 ngày ngâm

(b): Sự thay đổi khối lượng của mẫu sau 60 ngày ngâm

(c): Sự thay đổi khối lượng của mẫu sau 90 ngày ngâm Hình 4.8: Sự thay đổi khối lượng của mẫu dùng phụ gia Silicafume sau thời gian ngâm hóa chất

Kết quả thí nghiệm được trình bày trên Hình 4.8 cho thấy các mẫu bị ăn mòn có xu hướng giảm khi tăng hàm lượng silica fume Điều này cho thấy silica fume đóng vai trò làm tăng khả năng chống ăn mòn của vật liệu Kết quả này tương tự với các kết quả nghiên cứu trước đây, cho thấy bổ sung silica fume ở mức cao hơn có thể cải thiện hiệu suất chống ăn mòn ở các hệ vật liệu tương tự.

E Hewayde [13] silicafume cải thiện đáng kể cường độ chịu nén và giảm độ xốp, lấp

61 đầy các lỗ rỗng của bê tông và cải thiện khả năng chống ăn mòn trong môi trường axit nồng độ cao

Sau 90 ngày ngâm trong dung dịch axit các mẫu đều bị ăn mòn rất mạnh, mặc dù bị ảnh hưởng ít nhất nhưng cấp phối CP3 chịu sụ ăn mòn nặng nề nhất bởi dung dịch HCl 10% khi giảm đến 11,84%, với nồng độ 5% thì giảm 7,94% Còn với dung dịch

H2SO4 10% là 4,58%, nồng độ 5% giảm thấp nhất là 2,99% so với mẫu không tiếp xúc với dung dịch

4.4.2 Ảnh hưởng của 5% silicafume kết hợp với Tro bay đến sự thay đổi khối lượng sau thời gian ngâm hoá chất

Bảng 4.8: Kết quả sự thay đổi khối lượng của mẫu dùng 5% phụ gia silicafume kết hợp Tro bay sau thời gian ngâm hoá chất

Tro bay 30 ngày 60 ngày 90 ngày Dung dịch H 2 SO 4 10%

(c): Sự thay đổi khối lượng của mẫu sau 90 ngày ngâm Hình 4.9: Sự thay đổi khối lượng của mẫu dùng 5% phụ gia silicafume kết hợp

Tro bay sau thời gian ngâm hóa chất

Kết quả thí nghiệm được biểu diễn ở Hình 4.9 cho thấy các mẫu được pha 5% silica fume kết hợp với tro bay ở các hàm lượng khác nhau Các mẫu này có xu hướng làm giảm sự ăn mòn của thép cốt trong bê tông nhờ giảm thấm và cải thiện khả năng bảo vệ bề mặt so với mẫu đối chứng Việc bổ sung silica fume và tro bay làm tăng tính kháng ăn mòn của hệ thống bằng cách giảm kích thước và liên kết của mao quản, hạn chế tiếp xúc của dung dịch ăn mòn và từ đó kéo dài tuổi thọ của kết cấu trong các điều kiện môi trường khác nhau.

Kết quả cho thấy khi hàm lượng tro bay tăng lên đến 20%, mẫu bê tông bị ăn mòn nhiều hơn dưới tác động của axit Việc tăng tro bay làm giảm cường độ bê tông và đồng thời khiến bê tông dễ bị phá hủy bởi axit, tức là khả năng chống ăn mòn axit của bê tông giảm theo khi phần tro bay tăng lên.

Các kết quả thí nghiệm cho thấy cấp phối CP4 ít bị ăn mòn hơn sau 90 ngày ngâm so với các cấp phối khác Trong dung dịch H2SO4 5%, mẫu mất 2,68% khối lượng và ở nồng độ 10% là 3,92% Đối với dung dịch HCl 5%, khối lượng mẫu bê tông giảm 7,53%, trong khi ở HCl 10% mức giảm cao nhất là 11,22% trước khi ngâm axit.

4.3.3 Ảnh hưởng của 10% Silicafume kết hợp với Tro bay đến sự thay đổi khối lượng sau thời gian ngâm hoá chất

Bảng 4.9: Kết quả sự thay đổi khối lượng của mẫu dùng 10% phụ gia silicafume kết hợp tro bay sau thời gian ngâm hoá chất

Trong nghiên cứu, sự thay đổi khối lượng của mẫu được ghi nhận sau 90 ngày ngâm trong dung dịch hóa chất Hình 4.10 mô tả sự biến động khối lượng của mẫu chứa 10% phụ gia silica fume kết hợp với Tro bay (fly ash) sau thời gian ngâm hóa chất, nhằm đánh giá ảnh hưởng của hệ thống phụ gia-xỉ lên độ bền và ổn định của vật liệu Việc bổ sung silica fume 10% cùng với tro bay cho thấy tương tác hóa học và quá trình hấp thụ nước ảnh hưởng đến khối lượng của mẫu, từ đó cung cấp chỉ tiêu đánh giá khả năng chịu tác động của môi trường ngâm trong điều kiện thí nghiệm.

Kết quả thí nghiệm được trình bày tại Hình 4.10 cho thấy sau thời gian ngâm hoá chất, các mẫu bị ăn mòn và giảm khối lượng Xu hướng này tương tự với các mẫu bê tông sử dụng cấp phối 5% silica fume.

Sau 90 ngày ngâm, các dung dịch hoá chất ảnh hưởng đến bê tông cho thấy cấp phối CP5 ít bị ăn mòn hơn so với các cấp phối còn lại Trong dung dịch H2SO4 5%, mẫu bê tông giảm khối lượng 2,41%; ở nồng độ 10% khối lượng giảm 3,74% Đối với dung dịch HCl 5%, khối lượng mẫu giảm 6,8%, và chịu ảnh hưởng nặng nhất là HCl 10% khi khối lượng mẫu giảm 11,05% so với lúc chưa ngâm axit.

Kết quả này tương tự với các nghiên cứu của E Hewayde [13] và S Turkel [11], cho thấy thành phần khoáng hạt mịn giúp cải thiện đáng kể cường độ nén, giảm độ xốp, ngăn chặn sự thâm nhập của hoá chất vào bê tông và nâng cao khả năng chống ăn mòn trong các môi trường axit có nồng độ cao.

Việc bổ sung phụ gia khoáng hạt mịn cho bê tông giúp giảm đáng kể tỷ lệ ăn mòn so với bê tông truyền thống Nghiên cứu cho thấy cấp phối CP5 với tỷ lệ 10% tro bay và 10% silica fume thay thế xi măng vẫn là cấp phối tối ưu về khả năng chịu nén và kháng ăn mòn của bê tông trong môi trường axit, phù hợp với các nghiên cứu trước đây.

Do kích thước các hạt tro bay, silicafume rất nhỏ sẽ lấp đầy các lỗ rỗng trong bê tông, hạt silicafume có độ hoạt tính cao, hạt khoáng này phản ứng hoá học tạo ra C-S-

H tốt hơn tro bay Vì vậy khi thêm silicafume và tro bay vào hỗn hợp bê tông thì tỷ lệ mất khối lượng giảm xuống, tuy nhiên khi tăng hàm lượng tro bay lên 20% thì tỷ lệ mất khối lượng lại tăng đáng kể so với các mẫu dùng tro bay thấp hơn

Silicafume và tro bay cải thiện đáng kể cường độ chịu nén và giảm độ xốp của bê tông, giúp tăng cường độ bền và khả năng chịu tải của cấu kiện Tuy nhiên, chúng không thể kháng lại sự tấn công của axit có nồng độ cao, nên cần cân nhắc biện pháp bảo vệ hoặc gia cố thêm khi bê tông tiếp xúc với môi trường axit.

Định dạng
Số trang	103
Dung lượng	6,86 MB