Hội nghị khoa học toàn quốc lần thứ hai về
Sự cố và hư hỏng công trình Xây dựng
NGHIÊN CỨU CƠ CHẾ PHÁ HUỶ CẤU TRÚC BÊ TÔNG
TRONG MÔI TRƯỜNG XÂM THỰC MUỐI SUNFAT
MECHANISM OF SULFATE ATTACK ON
MICROSTRUCTURE OF CONCRETE
TS. Nguyễn Văn Chánh, KS. Nguyễn Thị Thanh Hương
Trường Đại Học Bách Khoa Tp. HCM
ABSTRACT: This paper reports the results of an investigation on the effects of sodium
and magnesium sulfate solutions on expansion and microstructure of concrete. The
results suggest that the expansion of concrete in sulfate solution follows a two-stage
process. The ultimate failure of the specimen occurs as a result of the decalcification of
the calcium silicate hydrate (C-S-H) and its conversion to magnesium silicate hydrate
(M-S-H), after prolonged exposure to the solution.
1. GIỚI THIỆU
Vữa xi măng và bê tông trong các môi trường sunfat bị xâm thực bởi các ion như Na
+
,
Mg
2+
, SO
4
2-
… làm thay đổi các sản phẩm hydrat hoá của vữa xi măng và bê tông như
ettringite, thạch cao và các pha khác. Khi môi trường xâm thực chứa ion Mg, như
MgSO
4
thì magie hydroxit Mg(OH)
2
sinh ra không có cường độ và có sự thay đổi C-S-H
thành M-S-H gây giãn nở hồ xi măng, làm mất ổn định cường độ ban đầu của vữa xi

ln
V
RT
P
=

Trong đó : P ứng suất, T : nhiệt độ tại K, R : hằng số khí (8.3J.K-.mol-), V : thể
tích mol của chất (m
3
.mol-1). Đối với tinh thể ettringite tương ứng với phương trình :
6Ca
2+
+ 2Al(OH)
4
-
+ 4OH
-
+3SO
4
2-
+ 26H
2
O = C
6
AS
3
H
32
Khi K/Ks = 2.4 thì ứng suất gây ra do hình thành ettringite là P = 3MPa.
3. THÍ NGHIỆM

3.31
4.39
0.47
1.01
2.83
Vữa thí nghiệm tỉ lệ nước/xi măng là 0.5, và tỉ lệ cốt liệu/xi măng là 3. Mẫu thử sau khi được
tạo hình đem dưỡng hộ trong điều kiện tiêu chuẩn trong thời gian 28 ngày. Sau đó mẫu được
ngâm trong dung dịch 0.25 mol muối natri sunfat và 0.25 mol muối magiê sunfat. Kết thúc
giai đoạn ngâm mẫu, mẫu thử đem thử nghiệm bằng phương pháp SEM, X-ray.
3.2 Kết quả
• Sự giãn nở của vữa xi măng
Sự giãn nở của mẫu vữa xi măng ngâm trong dung dịch muối natri sunfat (Na
2
SO
4
) và magiê sunfat
(MgSO
4
) thể hiện trong hình 2 chia làm 2 giai đoạn. Giai đoạn 1 vữa xi măng giãn nở rất thấp, cuối
Hình 1. Mô hình cơ chế giãn nở các khoáng xi măng hydrat
giai đoạn 1 tăng đột ngột và sau đó tốc độ đều đều cho tới khi mẫu thử bị phá huỷ. Trong giai đoạn 2,
sự giãn nở của vữa xi măng tăng đột ngột do hàm lượng thạch cao và ettringite tăng lên.
Sự giãn nở của vữa chứa trong dung dịch magiê sunfat xuất hiện tốc độ gia tăng liên tục,
thể hiện trong hình 2, cho thấy rằng bruxit Mg(OH)
2
xuất hiện trên bề mặt của vữa sau
khi ngâm trong dung dịch magiê sunfat. Tốc độ giãn nở tăng lên đều đều là do sự
khuyếch tán của ion sunfat lên lớp Mg(OH)
2
này.

Thời gian
Trạng thái giãn nở
2
1
Na
2
SO
4
MgSO
4
Hình 2. Tốc độ giãn nở của mẫu thử trong môi
trường xâm thực mạnh
Hình 4 cho thấy thạch cao bao bọc xung quanh hạt cốt liệu và ettringite kết tủa trong
vữa xi măng.

Hình 5 cho thấy hồ có dạng bình thường và xuất hiện canxi hydroxit (CH) xung quanh
hạt cốt liệu
Nhận xét: Qua thí nghiệm cho thấy phần bên trong bề mặt của mẫu thử xuất hiện nhiều
vùng riêng biệt và có các phản ứng xảy ra. Các thành phần bên trong mẫu như C-S-H,
Ca(OH)
2
, monosunfat, và phần clinker lần lượt tham gia phản ứng. Qua phân tích X-ray
cho thấy ettringite thay thế monosunfat. Trong vùng này, không có vết nứt vi mô hay
những thay đổi cấu trúc vi mô. Qua mẫu thử SEM cho thấy ettringite hình thành dưới
dạng cấu trúc vi mô phân tán trong C-S-H.
Vùng gần bề mặt mẫu thử xuất hiện ettringite và thạch cao (CaSO
4
). Một phần thạch cao
phân tán chặt chẽ trong gel C-S-H như ettringite, và một phần tách riêng nằm trên bề
mặt mẫu thử. Trong vùng này, hàm lượng Ca(OH)

thời gian (a) 12 tuần và (b) 32 tuần
(a)
(b)
Hình 6 cho thấy có sự xuất hiện bruxit (Mg(OH)
2
) và thạch cao CaSO
4
trên bề mặt. Sự
hình thành M-S-H bị giới hạn thậm chí sau một thời kỳ ngâm lâu dài, đóng trên bề mặt
ở đó lớp bruxit bị nứt. Thứ hai, thạch cao cũng phát hiện gần M-S-H kết tủa.
Hình 7 cho thấy C-S-H bị thay thể hoàn toàn thành M-S-H và có sự kết tủa thạch cao
trong mẫu vữa. Điều đó làm cho mẫu vữa bị xâm thực và hư hại mạnh
Nhận xét: Những nghiên cứu gần đây về xâm thực của dung dịch MgSO
4
cho thấy bê tông bị xâm
thực nhanh và sớm hơn so với Na
2
SO
4
, hợp chất bruxit (Mg(OH)
2
) và thạch cao hình thành trên bề
mặt dưới dạng lớp. Hàm lượng canxi trong gel C-S-H bị mất không rõ ràng như trường hợp dung
dịch Na
2
SO
4
do cần phải có OH
-
để kết tủa Mg(OH)

Hình 8. Cơ chế giãn nở trong hồ xi măng
Hình 7 : Thể hiện vùng phá huỷ mạnh của mẫu vữa xi măng ngâm
trong dung dịch MgSO
4
thời gian 32 tuần
(a)
(b)