82

Chơng 5
Độ bền của bê tông cờng độ cao
và chất lợng cao

1.Mở đầu
Bê tông là một vật liệu composit rất không đồng nhất mà độ bền của nó đợc
nghiên cứu ở 4 điểm đặc biệt. Đó là phản ứng kiềm cốt liệu, tính thấm nớc, phản
ứng cácbonát hoá và độ chống thấm ion Clo.
Tỏng quan về nguyên nhân phá hoại bê tông
(xem hình 5.1.)
Bê tông và kết cấu bê tông thờng bị phá hoại do nhiều nguyên nhân. Tuỳ
theo mức độ h hỏng có thể chia ra làm 3 cấp do các tác động khác nhau:
-
Sai sót:
Thờng do thiết kế, lựa chọn vật liệu và sai sót trong thi công.

-
H hỏng:
Thờng do tác động của khai thác, thời tiết, sự tăng tải không
đợc xét đến, các tác động đặc biệt do nớc, gió, động đất.

-
Phá hoại:
Thờng xẩy ra trong quá trình thi công, khai thác và khi kết
thúc tuổi thọ khai thác.

Dới đây là các tác động làm giảm độ bền khai thác của bê tông và kết cấu bê tông


vết nứt tạo thành các vùng phá hủy với các phân nhánh ít nhiều. Các đặc tính này
của cấu trúc vi mô của vật liệu không đồng nhất tạo thành do thấm lọc chất lỏng.
Lý thuyết lọc mô tả sự biến đổi khả năng thấm trong các môi trờng nứt hoặc rỗng.
Một vật liệu bị nứt có thể có một độ rỗng nhỏ, sự chuyển động của chất lỏng thực
hiện bởi một số lợng hạn chế các vết nứt. Nó tồn tại một mạng lới ngầm lọc và
các nhánh chết. Trong môi trờng rỗng và nứt, không thông nhau, chất lỏng không
thấm. Ngỡng thấm phân biệt vùng thấm và vùng không thấm.
Lý thuyết thấm, đầu tiên áp dụng với đá, đợc sử dụng trong việc xác định
độ thấm k của vữa xi măng với công thức:
k = c d
2
c
/F
Trong đó: c = 1/226
d
c
=

ờng kính tiêu chuẩn của lỗ rỗng
F = Tác nhân cấu tạo
-

F, tỉ lệ giữa khả năng truyền dẫn của bê tông bo hoà và của dung dịch lỗ
rỗng đợc xác định hoặc từ phép đo độ khuyếch tán (ví dụ ion clo) hoặc khả năng
dẫn điện;
-

d
c
đợc đo bằng đờng cong lỗ rỗng thủy ngân. Đó là điểm uốn của đờng

c
= 10 nm,
D
c1
= 8x10
-13
m
2
/s , có độ thấm tính toán là 0,2x10
-21
m
2
/s.
Trong ví dụ này, muội silic và sự giảm tỉ lệ N/X làm giảm độ thấm 55 lần. T.C.
Powers đ đo ngỡng thấm trong vữa xi măng, hoàn toàn hyđrát hoá, tỉ lệ N/X là
0,7.
ả
nh hởng của sự giảm lợng nớc và sự có mặt của muội silic trên ngỡng
tiếp xúc trong của các lỗ rỗng mao quản vừa đợc chứng tỏ bửoi D.P. Bentz và E.J.
Carboczy. Với tỉ lệ nớc cho trớc, muội silic làm đứt qung sự liên kết giữa các lỗ
rỗng với một độ thủy hóa nhỏ hơn. 84

0
1
2
3
4

Sự chuyển dời pha hấp phụ nh một màng nhớt, đặc trng bởi áp lực ngắt
(
disjonction) và k
va
(thấm bề mặt);
-

Sự chuyển dời trong pha ngng tụ theo định luật Hagen Poiseuille (không
trợt trên bề mặt) và xác định bởi K
vv
(độ thấm hơi tơng đơng).
Ba loại dòng chảy này có thể quan sát đợc khi độ ẩm tơng đối tăng. Pha hơi và
pha ngng tụ có thể đồng thời tồn tại. Độ thấm hàm số của bán kính lỗ rỗng và độ
ẩm tơng đối có một đặc trng rất không tuyến tính (hình 2). Khi độ ẩm tơng
đối tăng, từ 60%, độ thấm hơi tăng do tạo thành các chùm rỗng ngng tụ trong
mạng lới. Các đám này liên kết với ngỡng thấm. Hai loại lỗ rỗng có thể đợc
định nghĩa bằng kích thớc của chúng:
-

Lỗ rỗng ngng tụ đợc: r < 100 nm
-

Lỗ rỗng không ngng tụ đợc: r > 100 nm.
Giá trị 100 nm gần bằng đờng đi tự do trung bình của phân tử nớc. Các
BTCĐC chứa một phần lớn các lỗ rỗng bên trong nhỏ hơn 100 nm.
Độ thấm nớc khó đo đợc trong bê tông có tỉ lệ N/X nhỏ hơn 0,4 . Không có
hiện tợng thấm với các tỉ lệ N/X 0,22 đến 0,27.
2. Phản ứng kiềm cốt liệu(Silic)
3.1. Tổng quát
Sự xuống cấp của bê tông do phản ứng kiềm cốt liệu đ đợc quan sát lần đầu

Sự di chuyển của các ion Na
+
, K
+
, OH
-
của pha lỏng bên trong về phía hạt
silic hoạt tính: quá trình vật lý;
-

Phản ứng với cốt liệu và tạo một gen (chất rắn nhận đợc do kết bông dung
dịch keo) và silicát kiềm: quá trình hóa học.


Nở:
-

Thuỷ hóa gen và nở cục bộ do hấp thụ hoặc hấp phụ lý học chất lỏng bởi
một gen. Sự nở không phải luôn trực tiếp liên quan đến số lợng gen tạo thành. Gen
tạo thành ở hiện trờng bị nở;
-

Sự biến mất của các gen phụ thuộc vào độ nhớt của gen và tỉ lệ kiềm silic.
Gen có thể thấm vữa xi măng và lấp đầy lỗ rỗng.
3.2. Sản phẩm của phản ứng kiềm silic
Phản ứng kiềm silic tạo thành các gen và các tinh thể mà ta có thể tìm thấy
trong tất cả các kết cấu bê tông xuống cấp, xung quanh cốt liệu, trong các vết nứt
và lỗ rỗng của vữa xi măng, trong các mạch hay các mặt nghiêng của cốt liệu, ở bề
mặt bê tông dới dạng đổ mồ hôi.
Các gen vô định hình và khối là các silicát kiềm chứa khoảng:

kiềm. Các etringit có thể nằm cục bộ trong các lỗ rỗng của vữa xi măng nơi mà nó
không nở nhng quan sát đợc nhiều nhất trong các lỗ hở của cốt liệu, ở đó có thể
dẫn tới nở vật liệu. Thaumasit cũng đợc tìm thấy.
Vai trò của ion canxi
Canxi đợc tìm thấy trong tất cả các sản phẩm của phản ứng, gen hay tinh thể.
Ngoài ra, dung dịch bên trong của bê tông chỉ chứa các dấu vết của canxi. Theo S.
Diamond, độ pH của silicát kali tạo thành của phản ứng kiềm cốt liệu nằm trong
khoảng 11,3 12,1. Độ pH này nhỏ hơn của bê tông, có thể đạt tới 13,6. Độ pH
thấp có thể hoà tan Ca(OH)
2
. Các ion canxi khi đó có thể khuyếch tán tới nơi có
silic hoạt tính. Giả thiết này đợc khẳng định bởi sự vắng mặt của tinh thể Ca(OH)
2

định hớng trên các hạt cát hoạt tính. S. Chatterji gần đây đ chứng tỏ rằng sự có
mặt của Ca(OH)
2
:
-

Là cần thiết cho các phản ứng kiềm cốt liệu, tức là cho sự khuyếch tán
của các ion Na
+
và K
+
và cho sự tạo gen.
-
Ngăn cản sự khuyếch tán của silic. Các sản phẩm của phản ứng nằm xung
quanh các hạt cốt liệu và có thể trơng nở.


là một tiêu chuẩn định
lợng độ hoà tan của kiềm và độ hoạt động của dung dịch kiềm với silic nhờ quá
trình trung hòa các nhóm axit silanon và phá vỡ các cầu siloxane.
Khi bẫy các kim loại kiềm và phản ứng với Ca(OH)
2
, muội silic đóng vai trò
nh một puzôlan hoạt tính (bảng 5.1).

S. Diamond đ đề xuất rằng một nồng độ 0,25N của Na
+
, K
+
hay OH
-
có thể
là một giới hạn chấp nhận đợc để hạn chế phản ứng kiềm cốt liệu. Trong giả
thiết này, 10% muội silic, làm giảm 70% nồng độ hyđroxyt tan ( theo bảng 5.1), có
thể xem nh một biện pháp ngăn ngừa phản ứng kiềm cốt liệu.

87

Bảng 5.1: Nồng độ in OH
-
trong dung dịch bên trong của vữa xi măng với tỉ lệ
N/X = 0,5 ở 79 ngày.
% muội silic

0 5 10 20 30
ion OH
-

2
/s. Sau 7
ngày, các giá trị tơng ứng là 2 và 4. Các giá trị này vẫn nhỏ hơn các giá trị nhận
đợc khi có mặt NaCl. Nixon và al. [28] đ khẳng định rằng NaCl thúc đẩy phản
ứng kiềm cốt liệu khi tạo thành NaOH. Xu hớng trên cũng quan sát thấy trong
môi trờng biển.
H. Uchikawa và al. xét rằng trong xi măng puzôlan, sự khuyếch tán ion natri
bị chậm lại lực đẩy điện từ của ion dơng sinh ra bởi sự hấp thụ kiềm của C-S-H có
tỉ lệ Ca/Si nhỏ. Trong bê tông, sự khuyếch tán kiềm bị giảm khi vùng chuyển tiếp
vữa cốt liệu đợc phong phú hơn do phản ứng puzôlan nh trong bê tông dùng
muội silic.
3.3. ứng xử của bê tông dùng muội silic
Phản ứng kiềm cốt liệu đợc thúc đẩy do độ thấm lớn liên quan đến mạng
lỗ rỗng liên tục và dung dịch bên trong có kiềm tính cao, tất cả các đặc trng này
giảm đi trong bê tông cờng độ rất cao.
ứ
ng xử của bê tông chứa muội silic ứng với phản ứng kiềm cốt liệu đợc tổng kết
trong các hội thảo quốc tế. Sự trơng nở giảm có thế thay đổi từ muội silic đến
thành phần khác và cần một tiền nghiên cứu. Aixơlen có kinh nghiệm lâu nhất
trong sử dụng muội silic với xi măng poóc lăng hàm lợng kiềm cao và cốt liệu
hoạt tính. Một xi măng chứa 5% muội silic đ đợc sản xuất ở nớc này từ năm
1979. Canađa cũng thêm vào 6% muội silic cho xi măng poóc lăng năm 1982
nhng có thể sử dụng tới 10% theo tiêu chuẩn CAN 3 A362 từ năm 1983. Muội
silic có thể đa vào bê tông bằng cách thế chỗ xi măng, hoặc thêm vào xi măng.

88

Hàm lợng tối u làm giảm hoặc triệt tiêu sự trơng nở do phản ứng kiềm cốt liệu
nằm trong khoảng 7 25%. Ví dụ một cốt liệu hoạt tính và xi măng có 1,1% Na
2

tông, chúng sẽ ăn mòn kim loại. Tỉ lệ ăn mòn cốt thép khi đó phụ thuộc điện trở
của bê tông.
Trong một loại bê tông chất lợng tốt phủ ngoài cốt thép trên một chiều dày
lớn hơn 20 mm, phản ứng cácbonát hóa xảy ra chậm. Nếu bê tông chỉ có các vết
nứt rộng hơn 0,4 mm, quá trình cácbonát hóa có thể tạo ra một lớp bề mặt bảo vệ.
Sự giảm độ pH do cácbonát hóa và do giảm lợng Ca(OH)
2
trong xi măng có phụ
gia có thể làm khả năng chống ăn mòn cốt thép của bê tông kém hơn, khi so sánh
với bê tông dùng xi măng poóc lăng. Trong các điều kiện này, sự bảo dỡng đóng
vai trò quyết định. Chiều sâu ảnh hởng của quá trình cácbonát hóa có thể đợc dự
báo bằng cờng độ chịu nén ở 28 ngày.
Các kết quả trái ngợc nhau đ về khả năng chống cácbonát hóa của bê tông
dùng muội silic đ đợc công bố. Tuy nhiên, từ các nghiên cứu này, ta thấy rằng
việc bảo dỡng bê tông quyết định chiều sâu ảnh hởng của quá trình cácbonát
hóa. Với cờng độ chịu nén cùng ở ngày 28, bê tông càng bị cácbonát hóa khi hàm
lợng muội silic càng cao (giảm độ pH và mức độ tiêu thụ Ca(OH)
2
. Nếu muội silic
làm giảm chiều sâu cácbonát hóa một cách đáng kể, dù vậy nó cũng làm tăng điện
trở của vật liệu, khi so với một kết cấu rỗng gồm các lỗ rỗng không liên tục. Điện
trở lớn giới hạn dòng điện và do đó giới hạn sự ăn mòn cốt thép.

89

5. Độ thấm Clo
Mức độ thấm Clo qua vùng bê tông bảo vệ và gây ra sự ăn mòn cốt thép hệ
số khuyết tật Clo ký hiệu là D và đợc tính theo công thức sau:
Với bê tông thờng:
smD

3
S nH
2
O + Ca(OH)
2

Cement + water C-S-H +
CHPhản ứng pozzolanic

Silica fume +
CH
C-S-H

Hình 5.3. Quá trình thuỷ hoá và pozzolanic của xi măng Portland
Phản ứng Pozzoland hoá làm giảm thành phần CH trong đá xi măng làm tăng
độ bền của bê tông. 90H×nh 5.4. HiÖu qu¶ cña MS vµ Fly víi ®é chèng thÊm Clo

H×nh 5.5. HiÖu qu¶ chèng ¨n mßn sulphat khi sö dông tro bay vµ MS

0


500

600

700

800

900

1000

Th
ờ
i gian, ngày

ðộ
th
ấ
m Cuolombs, x 100
PC

8%MS

25%FA

4%SF+20%FA

Ăn mòn sulfate


OPC+MS91

Sơ đồ thí nghiệm theo tiêu chuẩn ASTM1202
Rapid Chloride Permeability Test
Rapid Chloride Permeability Test
( ASTM C1202)
( ASTM C1202)
NaOH
solution
NaCl
solution
60V
A

Hình5. 6. Sơ đồ thí nghiệm Hình 5.7. Thiết bị thí nghiệm
Tuy nhiên, những hỗn hợp muội silic và tro nhẹ cho hiệu quả chống thấm
cao và giá thành rẻ nhất. Các thí nghiệm tại Na Uy cho thấy cốt thép không bị rỉ
sau 50 năm nếu lớp phòng hộ là 7,5 cm, với bê tông không phụ gia chống thấm. Để
xác định mức thấm ion Clo qua bê tông có thể áp dụng thí nghiệm theo ASTM
C1202
Nếu các bê tông có trị số dới 1000 Culông là chống thấm ion Clo tốt. Các
kết quả nghiên cứu ở nớc ngoài cho thấy nếu hàm luợng MS >7% hoặc tro bay
trên 20% xi măng thì trị số RCPT từ 800 đến 1000 Culông sau 100 ngày.


Sự giảm hàm lợng Ca(OH)
2
do hiệu ứng puzôlan của muội silic.
-

Sự giảm ion OH
-
trong dung dịch bên trong, cũng nhờ hiệu ứng puzôlan.
Quá trình cácbonát hóa khá phức tạp. Chiều sâu ảnh hởng của nó lớn hơn hoặc
bằng của bê tông và đặc biệt khi thời gian bảo dỡng ngắn. Tuy vậy, sự cácbonát
hóa một mặt tỉ lệ nghịch với cờng độ chịu nén, mặt khác điện trở của bê tông
dùng muội silic, lớn hơn của bê tông thờng đ ngăn cản sự ăn mòn cốt thép ngay
cả khi cốt thép đ bị tấn công.
6. Thử nghiệm độ thấm Clo bê tông chất lợng cao 60, 80MPa từ vật liệu
Việt Nam (Đại học GTVT)
Các mẫu thử đợc chế tạo từ xi măng PC40, cát, đá theo TCVN với hàm lợng
nghiên cứu biến đổi từ 6-12%, tỷ lệ N/X=0,4-0,25. Thành phần bê tông thí nghiệm:
Đá=1050kg, C=700kg, X=450kg, MS=6-12%, Siêu dẻo=3.15lít.
Hiệu quả

của MS đến độ thấm Clorit đợc thí nghiệm thông qua phơng pháp
đo tổng điện tích truyền qua mẫu thử. Kết quả thí nghiệm cho thấy mức độ thấm
sau 28 ngày ở mức nhỏ hơn 1000 culông (thử nghiệm năm 2002).

93

Các thí nghiệm của Bộ giao thông vận tải cũng cho các kết quả tơng tự.
Thành phần của bê tông chất lợng cao (thử nghiệm năm 2007)
Bê tông chất lợng cao có thành phần nh sau:
Cốt liệu: Cát và đá Đồng Nai

68

Cờng độ kéo uốn bê tông MPa 5.8

7.5

8.5

Mô đun đàn hồi bê tông GPa 35.5

36.5

38.5 Thành phần và cơ tính của bê tông 80B đợc ghi ở bảng 5.4.
Bảng 5.4.Thành phần
Thành phần N/CKD

X MS Tro D C N SD
80C 0.26 500

35 75 1100

715

140

6.0


mẫu thử (Culông)
TT

Tên mẫu
Ký
hiệu
Từng viên Trung bình

Mức độ
thấm Clo
Mẫu 1 692
Mẫu 2 600
1 Bê tông 60C
Mẫu 3 764
718.3 Rất thấp
Mẫu 1 224
Mẫu 2 181
2 Bê tông 80C
Mẫu 3 210
205 Rất thấp
So sánh kết quả đo độ thấm Clo cho thấy độ thấm Clo thấp hơn từ 10-15 lần so
với bê tông 40 không dùng muội silic hoặc tro bay hoặc kết hợp giữa muội silic với
tro bay.
Khả năng chống lại các tác động hóa học và thấm của bê tông chất lợng cao
lớn hơn bê tông thờng. Với bê tông có cờng độ chịu nén tuổi 28 ngày, mẫu hình
trụ, từ 60 đến 80 có phụ gia MS 7% và tro bay Nam Bộ 15% theo khối lợng xi có
độ thấm Clorit thấp. Khả năng chống lại tác động thấm nớc và thấm clorít cao
đảm bảo độ bền nớc và nớc biển cao. Loại bê tông này có tỷ lệ N/X từ 0.31-0.26,
lợng X = 471 - 490Kg.
Đối với các công trình cầu và cảng biển, các công trình xây dựng ở biển và