MỤC LỤC
trang
MỞ ĐẦU
1
Chương 1. Tổng quan
4
1.1. Giới thiệu chung về xi măng và bê tông
4
1.1.1. Xi măng
4
1.1.1.1. Quá trình hydrat hoá của C
3
S
5
1.1.1.2. Phản ứng của canxi aluminat C
3
A với thạch cao
5
1.1.1.3. Phản ứng hydrat hoá của C
4
AF
6
1.1.2. Bê tông
6
1.1.2.1. Khái niệm bê tông và bê tông cốt thép
6
1.1.2.2. Các yếu tố ảnh hưởng đến chất lượng bê tông
7
28
1.5.2. Ảnh h-ëng cña nhiÖt ®é
28
1.5.3. ¶nh h-ëng cña tèc ®é tr«i d¹t ion
28
1.5.4. ảnh hưởng của độ dẫn điện của ion
29 1.5.5. nh h-ởng của độ xốp của vật liệu
29
1.6. Xác định nhanh độ thấm ion clo trong bê tông
30
1.7. Phụ gia cho bê tông
35
Ch-ơng 2. Thực nghiệm
37
2.1. Ni dung nghiờn cu
37
2.1.1. Xỏc nh h s khuch tỏn theo phng phỏp ngõm lõu di
37
2.1.2. Xỏc nh nhanh h s khuch tỏn ion clo trong bờ tụng
37
2.1.3. Kho sỏt cỏc dng nng ca ion clo trong bờ tụng v
mi quan h ca chỳng trong vic tớnh h s khuch tỏn
37
2.1.4. Xem xột s ph thuc ca h s khuch tỏn vo t l X:C
v vic s dng ph gia
37
2.1.5. Tớnh toỏn thi im bt u n mũn ct thộp ca cụng trỡnh
51
3.1. Xỏc nh h s khuch tỏn ca ion clo trong bờ tụng theo phng
phỏp ngõm lõu di
51
3.2. Xỏc nh nhanh h s khuch tỏn ca ion clo trong bờ tụng bng
53 cách sử dụng điện trường theo Tang Luping và Lars Olof Nilsson
3.2.1. Bài toán mô hình hoá
53
3.2.2. Xác định nhanh hệ số khuếch tán của ion clo trong bê tông
65
3.2.3. Kết quả và thảo luận
67
3.3. Một số yếu tố ảnh hưởng đến hệ số khuếch tán Cl
trong bê tông
73
3.3.1. Sự ảnh hưởng của tỷ lệ Xi măng:Cát
73
3.3.2. Sự ảnh hưởng của phụ gia đến hệ số khuếch tán Cl
trong
bê tông
74
3.3.2.1. Tỷ lệ phụ gia tối ưu cho cường độ kháng nén
78
3.3.2.2. Tỷ lệ phụ gia tối ưu cho cường độ kháng uốn
84
3
A: aluminat tricanxit (3CaO.Al
2
O
3
)
C
4
AF: canxi aluminoferit (4CaO.Al
2
O
3
.Fe
2
O
3
)
C
2
F: canxi ferit (2CaO.Fe
2
O
3
)
C
3
S: silicat tricanxit (3CaO.SiO
2
)
C
12
Hình 1.3. Sự biến đổi hợp phần hoá học của pha nước chiết xi
măng theo thời gian
13
Hình 1.4. Giản đồ Pourbaix khi có và không có sự ảnh hưởng của
ion clo
15
Hình 1.5. Cơ chế ăn mòn cốt thép trong bê tông
16
Hình 1.6. Dạng điển hình của sự khuếch tán ion clo vào bê tông
22
Hình 1.7. Quá trình khuếch tán
23
Hình 1.8. Sự thay đổi nồng độ ion clo tự do theo lượng C
3
A chứa
trong xi măng
25
Hình 1.9. Sơ đồ thiết bị đo theo AASHTO T227
30
Hình 1.10. Cấu tạo phân tử melamin formaldehyt sunfonat
35
Hình 1.11. Cấu tạo phân tử naphtalen formaldehyt sunfonat
36
Hình 2.1. Mẫu thử nghiệm xác định độ thấm Cl
bằng phương pháp
khoan chuẩn
39
Hình 2.2. Sơ đồ uốn mẫu
Hình 3.9. Hàm lượng Cl
theo chiều sâu
69
Hình 3.10. Đồ thị sự khuếch tán Cl
với t = 16 giờ
70
Hình 3.11. Đồ thị sự khuếch tán Cl
với t = 8 giờ
71
Hình 3.12. Giản đồ Pareto cho cường độ kháng nén
79
Hình 3.13. Mặt mục tiêu và đường mức của hàm kháng nén
84
Hình 3.14. Giản đồ Pareto cho cường độ kháng uốn
86
Hình 3.15. Mặt mục tiêu và đường mức của hàm kháng uốn
87
Hình 3.16. Phương trình Arrhenius đối với hệ số khuếch tán theo
điều kiện thí nghiệm
89
Hình 3.17. Mối quan hệ giữa nồng độ ion clo tổng và ion clo tự do
91
Hình 3.18. Mối quan hệ giữa hệ số khuếch tán hiệu dụng
a
c
D
và
Bảng 1.6. Độ dẫn điện đương lượng của các ion trong dung dịch
nước ở 25
o
C
33
Bảng 2.1. Bảng ma trận thực nghiệm theo mô hình bậc 2 tâm xoay
44
Bảng 2.2. Giá trị cánh tay đòn d trong qui hoạch tâm xoay
44
Bảng 3.1. Hàm lượng ion clo (% khối lượng mẫu) theo độ sâu (tỷ lệ
X:C:N = 1:3:0,5)
52
Bảng 3.2. Hệ số khuếch tán theo phương pháp ngâm lâu dài
53
Bảng 3.3. Hàm lượng ion clo (% khối lượng mẫu) theo độ sâu (tỷ lệ
X:C:N = 1:2:0,5)
69
Bảng 3.4. Hệ số khuếch tán của mẫu theo thời gian áp điện trường
70
Bảng 3.5. Hàm lượng ion clo (% khối lượng mẫu) theo độ sâu (tỷ lệ
X:C:N = 1:3:0,5)
72
Bảng 3.6. Hệ số khuếch tán theo các phương pháp khác nhau
72
Bảng 3.7. Hàm lượng ion clo (% khối lượng mẫu) phụ thuộc tỷ lệ
X:C:N
73
Bảng 3.8. Hệ số khuếch tán của mẫu phụ thuộc tỷ lệ X:C:N
73
Bảng 3.9. Thành phần của clinke PC40 của Luks và silica fume
Bảng 3.23. Hàm lượng ion clo (% khối lượng mẫu) theo độ sâu
(mẫu áp điện trường 8 giờ)
88
Bảng 3.24. Hệ số khuếch tán của các mẫu áp điện trường 8 giờ
88
Bảng 3.25. Hàm lượng Cl
trong nước ép
92
Bảng 3.26. Hàm lượng các dạng ion clo (% khối lượng mẫu) (tỷ lệ
X:C:N = 1:3:0,5)
93
Bảng 3.27. Thành phần hoá học nước biển ở Việt Nam và các nơi
khác trên thế giới
98
Bảng 3.28. Loại xi măng dùng cho các công trình vùng biển
98
1
MỞ ĐẦU
Với một thực tế là các công trình bê tông cốt thép (BTCT) trong môi
trường biển thường có tuổi thọ thấp hơn nhiều so với tuổi thọ thiết kế. Điều
này gây ra sự thiệt hại về tài chính rất lớn cho công tác duy tu và sửa chữa.
Do đó việc nâng cao tuổi thọ cho các công trình BTCT trong môi trường biển
đang là mối quan tâm của các nhà khoa học và các viện nghiên cứu lớn trên
toàn thế giới.
2
(phương pháp ngâm lâu dài, AASHTO T259). Đáng tiếc là phương pháp này
tiêu tốn rất nhiều thời gian, thậm chí đến hàng năm, nó không đáp ứng được
các yêu cầu của các nhà thiết kế và các kỹ sư xây dựng. Hiện nay có một
phương pháp chuẩn được sử dụng phổ biến để xác định nhanh độ thấm của bê
tông là phương pháp Whiting (AASHTO T277, ASTM C1202), song phương
pháp này có nhiều nhược điểm, đặc biệt là nó không cho biết sự thấm của bản
thân ion clo mà chỉ cho biết tổng điện lượng đi qua mẫu bê tông. Để khắc
phục nhược điểm của phương pháp Whiting, nhiều nhà khoa học hiện nay tập
trung vào việc mô hình hoá sự khuếch tán ion clo trong bê tông nhằm có thể
xác định nhanh hệ số khuếch tán ion clo trong bê tông. Trong số các phương
pháp mô hình hoá này, có một phương pháp khá hấp dẫn mà chúng tôi dự
định sử dụng trong việc nghiên cứu của mình là phương pháp mô hình hoá
xác định nhanh hệ số khuếch tán ion clo trong bê tông bằng cách sử dụng điện
trường của Tang Luping và Lars Olof Nilsson, vì thiết bị sử dụng tương đối
đơn giản có thể áp dụng cho các phòng thí nghiệm trong điều kiện nước ta.
Đây cũng là lý do chúng tôi chọn đề tài: Ứng dụng mô hình Tang Luping
– Olof Nilsson để khảo sát sự khuếch tán Cl
trong bê tông và nghiên cứu ảnh
hưởng của phụ gia đến quá trình này.
Tuy nhiên khi sử dụng lời giải của các tác giả trên để khảo sát hệ số
khuếch tán ion clo, chúng tôi phát hiện có sự nhầm lẫn, nó cho kết quả không
phù hợp với những công bố của tác giả. Từ đây bắt buộc chúng tôi phải tiến
hành giải lại bài toán mô hình hoá trên. Lời giải mà chúng tôi thu được, khi áp
dụng cho các dữ liệu của Tang Luping và Lars Olof Nilsson cho kết quả hoàn
toàn phù hợp với kết quả thu được của họ. Từ đây chúng tôi khẳng định lời
giải của chúng tôi thu được là chính xác.
Sử dụng mô hình trên chúng tôi tiến hành xác định hệ số khuếch tán của
ion clo, sau đó so sánh với hệ số khuếch tán ion clo thu được bằng phương
4
Chương 1
TỔNG QUAN
1.1. Giới thiệu chung về xi măng và bê tông
1.1.1. Xi măng
Xi măng là tên gọi chung của nhóm chất kết dính có đặc tính ngưng kết
và đóng rắn khi phản ứng với nước. Xi măng portland được sản xuất bằng
phương pháp nung hỗn hợp đá vôi và đất sét.
Trong quá trình nghiền clinke, người ta thường cho thêm vào khoảng 5%
lượng CaSO
4
.2H
2
O với mục đích điều chỉnh thời gian đông đặc của vữa.
Bảng 1.1. Thành phần hoá học của xi măng portland thông thường
Oxit
Hàm lượng (%)
Oxit
Hàm lượng (%)
CaO
63 – 67
MgO
5
SiO
2
21 – 24
TiO
2
O
3
, Fe
2
O
3
, SiO
2
và quá trình nung luyện tạo nên
bốn pha chính trong clinke.
Bảng 1.2. Thành phần pha của clinke
Công thức
Ký hiệu
Thành phần (%)
3CaO.SiO
2
C
3
S
37 – 65
2CaO.SiO
2
C
2
S
10 – 37
S hoà tan tạo ra các ion
2
24
H SiO
,
OH
và Ca
2+
theo phản ứng:
2Ca
3
SiO
5
+ 6H
2
O = 6Ca
2+
+ 8OH
+ 2
2
24
H SiO
Ngay sau đó, dung dịch trở nên quá bão hoà đối với hydrat của canxi
silicat và các ion này kết tủa nhanh chóng theo phản ứng:
3Ca
Sau khoảng 12 giờ, lớp hydrat bao quanh những hạt silicat khan trở nên
tương đối dày, chúng làm giảm sự khuếch tán của các ion cũng như nước.
Mặc dù quá trình hydrat hoá giảm đi nhưng nó vẫn còn kéo dài có khi hàng
năm, chừng nào còn nước và C
2
S, C
3
S, C
3
A, trong các lỗ mao quản.
1.1.1.2. Phản ứng của canxi aluminat C
3
A với thạch cao
Thạch cao cho phép điều tiết quá trình hydrat hoá của C
3
A, là chất mà
khi không có ion
2
4
SO
sẽ gây nên quá trình đông cứng nhanh của xi măng
bằng cách hình thành kết tủa hydrat aluminat.
+ Giai đoạn đầu (quá trình trộn vữa): thạch cao và C
3
A hoà tan nhanh
theo các phản ứng:
Ca
3
Al
6
ettringit sớm:
29H
2
O + 6Ca
2+
+ 2
2
AlO
+ 3
2
4
SO
+ 4OH
=
[Ca
2
Al(OH)
6
]
2
.Ca
2
(SO
4
2-
4
SO
+ 4OH
= [Ca
2
Al(OH)
6
]
2
.SO
4
.15H
2
O
+ Phản ứng trong một thời gian dài
Xi măng portland chứa 8 – 12% aluminat, 5% thạch cao, tức tỷ lệ số mol
thạch cao/số mol aluminat = 0,8, tỷ số này tương ứng với một hỗn hợp của
MSA và hydrat của aluminat tetracanxit [Ca
2
Al(OH)
6
]
2
.(OH).12H
2
O hoặc
ứng với dung dịch rắn kiểu như vậy nhưng ion OH
2
O
CaO.Fe
2
O
3
.H
2
O + 2Ca(OH)
2
+ nH
2
O 3CaO.Fe
2
O
3
.6H
2
O
1.1.2. Bê tông
1.1.2.1. Khái niệm bê tông và bê tông cốt thép
Hỗn hợp bao gồm: xi măng + cát + nước gọi là vữa xi măng, sau một 7
thời gian hydrat hoá (khoảng trên 28 ngày) tạo thành một khối rắn chắc gọi là
đá xi măng.
Hỗn hợp bao gồm: xi măng + cát + đá sỏi + nước được gọi là vữa bê
tông, sau khi kết thúc quá trình đóng rắn (trên 28 ngày) tạo thành một khối
rắn chắc gọi là bê tông.
cho bê tông có độ thấm cao, chất lượng công trình như vậy sẽ giảm [82].
1.2. Thực trạng các công trình BTCT ở vùng biển Việt Nam
Trong công cuộc phát triển kinh tế và bảo vệ quốc phòng hiện nay hàng
năm nhà nước ta đã đầu tư hàng nghìn tỷ đồng cho các công trình BTCT trong
môi trường biển. Tuy nhiên phần lớn các công trình chỉ sau 20 đến 30 năm đã
bị hư hỏng nặng, thậm chí có các công trình đã bị hư hỏng sau 10 đến 15 năm.
Hàng năm nhà nước phải chi phí hàng trăm tỷ đồng cho việc duy tu, sửa chữa
cho các công trình BTCT trong môi trường biển.
Một công trình khảo sát gần đây về tình trạng ăn mòn và hư hỏng các
công trình BTCT từ Quảng Ninh đến Cà Mau của Viện Khoa Học Công Nghệ
Xây Dựng [10] cũng như một số tác giả khác [69, 92] cho thấy hầu hết các
công trình BTCT ít nhiều đều xảy ra tình trạng ăn mòn, hư hỏng kể cả các
công trình mới được xây dựng trong thời gian gần đây.
Bảng 1.3. Kết quả khảo sát tình trạng ăn mòn và hư hỏng các công trình
BTCT vùng khí quyển trên và ven biển
Tên công trình
(tỉnh, thành phố)
Năm khảo sát
(hạn sử dụng, năm)
Vị trí làm việc,
cách mép nước
biển, (km)
Tình trạng ăn mòn bê tông và cốt
thép
Nhà Văn hoá Việt
Nhật (Quảng Ninh):
2001 (25)
Ven biển
(0,5km)
Cảng Cửa Lò (Nghệ
An): 2001 (17)
Khí quyển trên
mặt nước (5km)
Công trình được xây dựng năm 1984.
Công trình bị nứt, bong bục bê tông bảo
vệ ở mức độ trung bình tại các cột, dầm
và sàn tại vùng nước lên xuống và khí
quyển.
Bê tông: bị nứt, bong bục từng mảng;
hàm lượng ion clo vùng cận cốt thép:
0,35-1,85 kg/m
3
bê tông; độ pH:
11,86-12,15.
Cốt thép: bị ăn mòn trung bình đến
nặng.
Cảng Qui Nhơn (Qui
Khí quyển trên
Công trình được xây dựng năm 1994. 10
Nhơn): 2001 (7)
mặt biển (0km)
Công trình bị nứt, bong bục bê tông
bảo vệ ở mức độ nhẹ đến trung bình
tại các cột, dầm vùng nước lên xuống
và khí quyển.
Bê tông: bị nứt, bong bục từng mảng;
Bê tông: bị nứt, bong bục từng mảng;
hàm lượng ion clo vùng cận cốt thép:
1,78-2,60 kg/m
3
bê tông; độ pH: 11
12,03-12,2.
Cốt thép: cột, dầm bị rỉ nhẹ đến trung
bình và nặng.
Nguồn: Viện Khoa Học Công Nghệ Xây Dựng, 2003 [10].
Qua các số liệu trên cho ta thấy hầu như các công trình BTCT trong môi
trường biển Việt Nam từ Bắc đến Nam đều có dấu hiệu bị ăn mòn, hư hỏng.
Các công trình liệt kê ở đây chỉ là một số điển hình cho hàng loạt các công
trình BTCT trong môi trường biển Việt Nam. Những công trình trên có niên
hạn sử dụng từ 35 năm trở lại, thậm chí có công trình niên hạn sử dụng chỉ 7
năm (tính đến ngày khảo sát) mà đã có triệu chứng hư hỏng. Tình trạng phá
huỷ có khác nhau tuỳ theo vị trí, chẳng hạn vùng ngập nước, vùng nước lên
xuống, trong khí quyển. Tuy nhiên, nguyên nhân phá huỷ chủ yếu là ăn mòn
và phá huỷ cốt thép do ion clo là phổ biến và nguy hại nhất.
Qua trên chúng ta thấy, vấn đề ăn mòn phá huỷ các công trình BTCT
trong môi trường biển ở nước ta là một vấn đề rất quan trọng cần tập trung
nghiên cứu nhằm tránh cho nhà nước một khoản tài chính lớn cho việc sửa
chữa các công trình này. Trong việc nghiên cứu nhằm nâng cao chất lượng
các công trình BTCT trong môi trường biển có nhiều vấn đề khác nhau song
một vấn đề không thể thiếu là sự khuếch tán ion clo trong bê tông.
1.3. Nguyên nhân phá hoại các công trình BTCT vùng biển
Sự phá hỏng các công trình BTCT trong môi trường biển thường do tác
phần khoáng của xi măng tạo ra portlandit Ca(OH)
2
và hoà tan một lượng
oxyt kiềm mạnh (Na
2
O, K
2
O) có trong thành phần xi măng (hình 1.3).
14
Hình 1.3. Sự biến đổi hợp phần hoá học của pha nước chiết xi măng theo thời
gian [14].
Theo giản đồ Pourbaix (giản đồ thế – pH) của Fe trong dung dịch nước
(hình 1.4) cho thấy rằng ở giá trị pH ~ 13 hay cao hơn trên bề mặt thép tạo
thành lớp màng thụ động -Fe
2
O
3
hay Fe
3
O
4
với chiều dày 10
3
- 10
1
n(C-S-H) + CO
2
mCaCO
3
+ xSiO
2
+ yH
2
O
2KOH (NaOH) + CO
2
K
2
CO
3
(Na
2
CO
3
) + H
2
O
Các phản ứng trên đã làm giảm pH của nước chiết xi măng, thậm chí đến
pH = 8,5 – 9. Theo [14] tốc độ cacbonat hoá bê tông được biểu diễn bằng
phương trình:
.x A t
ở đây: x: độ sâu lớp bê tông bị cacbonat hoá
t: thời gian (năm)
quyển, vùng thủy triều, vùng ngập sâu trong nước biển), cũng như các yếu tố
như sóng biển, gió biển, hướng tác động của thủy triều Nồng độ ion clo
vùng ngập sâu > nồng độ ion clo vùng thủy triều > nồng độ ion clo vùng khí
quyển. Ngưỡng tới hạn phá hủy sự thụ động và ăn mòn cốt thép ứng với tỷ lệ
[Cl
]/[OH
] = 0,6 [56]. Nguy cơ ăn mòn cốt thép tăng dần với sự tăng hàm
lượng ion clo tự do trong nước lỗ hổng của bê tông. Ion clo không trực tiếp
làm giảm pH quanh cốt thép nhưng nó là chất xúc tác cho quá trình ăn mòn,
nó không bị mất đi, mà phá huỷ lớp màng thụ động bảo vệ cốt thép gây ra sự
ăn mòn pitting [86, 93]. Hình 1.4. Giản đồ Pourbaix khi có và không có sự ảnh hưởng của ion clo [86]
Tiêu chuẩn của Anh qui định giới hạn ion clo với xi măng portland bình
thường là 0,4% trọng lượng so với xi măng. Cơ quan nghiên cứu về nhà ở của
Mỹ đã phân loại ảnh hưởng nồng độ ion clo đối với sự ăn mòn cốt thép như
sau: ăn mòn thấp: 0 – 0,4% (so với xi măng); trung bình: 0,4 – 1% và cao: 17
trên 1%. Cơ quan quản lý đường liên bang Mỹ đã đưa ra giới hạn nồng độ ion
clo là 1,2kg/m
3
bê tông hoặc 0,2% đối với xi măng.
Cơ chế ăn mòn điện hoá cốt thép trong bê tông:
Cơ chế ăn mòn cốt thép trong bê tông thường rất phức tạp do môi trường
2
O
3
hay Fe
3
O
4
trên
bề mặt, nó làm cho thép thụ động đối với sự ăn mòn. Lớp này bền trong
môi trường kiềm của xi măng hydrat hoá (pH > 13). Tính thụ động của lớp
màng này bị phá huỷ khi pH của môi trường tiếp xúc nhỏ hơn 11 hoặc khi
có mặt ion clo. Hiện tượng ăn mòn xảy ra khi có một hiệu thế dọc theo
Copyright: Tài liệu đại học ©