Đề tài Nghiên cứu cơ chế phá huỷ cấu trúc bê tông trong môi trường xâm thực muối sunfat

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+, Mg2+, SO42-… 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 MgSO4 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 măng. Sự thay đổi cấu trúc vi mô do xâm thực của muối sunfat vào trong bê tông bị hư hại được nghiên cứu chi tiết bằng phương pháp dùng kính hiển vi điện tử quét (SEM) và X.ray để mô tả sự xuất hiện của nhiều pha mới và sự thay đổi các pha hydrat hoá xi măng do tác dụng của muối sunfat. 2. CƠ SỞ KHOA HỌC 2.1 Sự hình thành ettringite và sự giãn nở của cấu trúc bê tông Sự thay đổi trong thể tích của xi măng hydrat Một số giả thuyết cho rằng sự giãn nở của bê tông là do ettringite hình thành làm tăng thể tích rắn. Tuy nhiên, vấn đề tăng thể tích liên quan đến sự hình thành ettringite từ C3A, thạch cao và sự hình thành C-S-H, Ca(OH)2 từ C3S (hình1), nhưng sản phẩm từ C3S giãn nở rất ít. Hai phản ứng trên đều là phản ứng hydrat, nước liên kết chặt vào trong sản phẩm rắn, thể tích chất rắn sinh ra lớn gấp đôi so với chất rắn ban đầu và nước có khả năng bị nén lại do co ngót hoá học. Do đó tổng thể tích sản phẩm sinh ra có thể ít hơn chất tham gia phản ứng. Sự thay đổi trạng thái xốp bê tông phải được đưa vào tính toán và điều đó tuỳ thuộc vào kích thước hạt sản phẩm trong cấu trúc lỗ rỗng. Cơ chế giãn nở trên cơ sở cấu trúc vi mô của xi măng hydrat được thể hiện ở hình 1 . Ứng suất gây ra do sự phát triển của tinh thể Nhiệt động học cho thấy rằng ứng suất lớn nhất sinh ra do sự phát triển của tinh thể được tính bởi công thức sau:
Trong đó : P ứng suất, T : nhiệt độ tại K, R : hằng số khí (8.3J.K-.mol-), V : thể tích mol của chất (m3.mol-1). Đối với tinh thể ettringite tương ứng với phương trình : 6Ca2+ + 2Al(OH)4- + 4OH-+3SO42- + 26H2O = C6AS3H32 Khi K/Ks = 2.4 thì ứng suất gây ra do hình thành ettringite là P = 3MPa. 3. THÍ NGHIỆM 3.1 Phương pháp thí nghiệm Xi măng sử dụng thí nghiệm có hàm lượng kiềm cao và hàm lượng SO3 2.8%. Bảng phân tích thành phần hoá học của xi măng như sau : Bảng 1. Thành phần hoá học của ximăng thử nghiệm Thành phần hoá học  Hàm lượng (%)   CaO SiO2 Al2O3 Fe2O3 MgO Na2O K2O SO3  61.8 20.3 4.44 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 (Na2 SO4) và magiê sunfat (MgSO4) thể hiện trong hình 2 chia làm 2 giai đoạn. Giai đoạn 1 vữa xi măng giãn nở rất thấp, cuối 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. Quan sát cấu trúc vi mô của mẫu thử trong môi trường xâm thực Bê tông chịu sự tác động của môi trường xâm thực gây giãn nở và nứt dẫn đến công trình bị hư hại. Sự xâm thực có thể làm thay đổi cấu trúc hydrat hoá của xi măng. Xâm thực do dung dịch natri sunfat: Mẫu vữa xi măng (tỉ lệ nước/xi măng 0.5) ngâm trong dung dịch 0.25 mol Na2SO4, qua thử nghiệm SEM, X-ray đối với mẫu vữa xi măng bị xâm thực muối sunfat xuất hiện vết nứt. Chi tiết cấu trúc vi mô trong mỗi vùng được thể hiện trong các hình 3, 4, 5 tương ứng vùng 1, 2, và 3. Hình 3 cho thấy C-S-H, ettringite kết tủa và dung dịch rắn thaumasite-ettringite (T-E) có thể được xác định dưới bề mặt lớp canxit (CaCO3). 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 (CaSO4). 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)2 bị mất một phần và vết nứt nhỏ xuất hiện tại vùng thạch cao. Xâm thực của dung dịch magiê sunfat Trong bê tông, phản ứng của ion Mg2+ và SO42- riêng biệt, và chúng có ảnh hưởng khác nhau đối với mẫu thử. Phản ứng của ion SO42- thực chất là xâm thực của Na2SO4 Phân tích SEM mẫu vữa xi măng chứa trong dung dịch magiê sunfat (MgSO4) thể hiện trong hình 6 và 7. Hình 6 cho thấy có sự xuất hiện bruxit (Mg(OH)2) và thạch cao CaSO4 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 MgSO4 cho thấy bê tông bị xâm thực nhanh và sớm hơn so với Na2SO4, 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 Na2SO4 do cần phải có OH- để kết tủa Mg(OH)2. Lượng Ca2+ tương ứng bị tách ra, phản ứng với sunfat thành thạch cao. Trong vùng sunfat, sự hydrat của clinke tăng lên do ion OH- bị tách ra. C-S-H bị phá huỷ nhiều và có sự tạo thành magiê silicat hydrat (M-S-H). Sản phẩm sinh ra có thể tích lớn hơn nhiều lần so với hợp chất ban đầu, gây trương nở và nứt bê tông. Mô hình giãn nở cấu trúc vi mô của mẫu vữa Mẫu vữa có kích thước hình chữ nhật dùng để đo độ giãn nở, chúng tỉ lệ với thời gian. Trong vữa và bê tông đã giản nở, ettringite bao bọc xung quanh hạt cốt liệu với chiều dày 10(m. Đối với mẫu có chiều dày mỏng thì mẫu giãn nở nhanh hơn và nó bắt đầu từ bên ngoài bề mặt và tiến vào bên trong. Sự giãn nở có thể xảy ra chậm hay đồng thời với sự hình thành ettringite . Hai cơ chế về sự giãn nở: do kết tinh ettringite trên bề mặt cốt liệu và hồ xi măng giãn nở tạo khoảng trống xung quanh hạt cốt liệu mà trong đó ettringite kết tinh trở lại. Tuy nhiên khó xác định mức độ quá bão hoà xảy ra trên bề mặt cốt liệu để sự phát triển tinh thể gây ra ứng suất lớn. Thứ hai, chiều dày của ettringite bao quanh hạt cốt liệu tỉ lệ với kích thước hạt cốt liệu, ettringite có xu hướng tái kết tinh tại bề mặt cốt liệu và đó là nguyên nhân gây giãn nở trong hỗ xi măng, điều này xảy ra phần lớn trong bê tông được chế tạo từ xi măng mà trong quá trình hydrat hoá chứa nhiều ettringite. Qua hình 8 cho thấy sự xâm thực sunfat từ môi trường ngoài làm cho các phản ứng ban đầu của vật liệu tăng lên. Hồ xi măng có chứa những vết nứt vi mô, và đó là điều kiện cần gây giãn nở. Vết nứt có thể hình thành do các yếu tố khác nhau. Ettringite được hình thành dưới dạng cấu trúc vi mô phân tán trong trong gel C-S-H. Ettringite có xu hướng tái kết tinh trong các lỗ rỗng. Ettringite tái kết tinh không gây giãn nở hồ xi măng mà chúng làm cho các phản ứng của hồ xi măng phát triển nhanh, đặc biệt là xung quanh hạt cốt liệu. Vì vậy hồ xi măng giãn nở không đồng đều tạo nên vết nứt. 4. KẾT LUẬN Kết quả thí nghiệm mẫu vữa xi măng trong môi trường xâm thực Na2SO4 và MgSO4 cho thấy : Quá trình giãn nở của vữa PC chia 2 giai đoạn, ban đầu phát triển chậm sau đó tăng dần đến khi mẫu bị phá huỷ; Có sự thay thế C-S-H thành M-S-H và thạch cao hình thành dưới dạng lớp. Các sản phẩm tạo thành gây ứng xuất lớn làm nứt bê tông dẫn đến phá huỷ công trình; Ettringite tiếp tục tái kết tinh trong các vết nứt của bê tông bị phá huỷ. TÀI LIỆU THAM KHẢO Manu Santhanam, Menashi D. Cohen*, Jan Olek, “Mechanism of sulfate attack”, school of Civil Engineering, Purdue University, 1284 Civil Engineering Building, G217, West Lafayette, IN 47907, USA. H.F.W Taylor, “Sulfate reactions in concrete-microstructural and chemical aspects”, 7 Loirsbank Road, Cults, Aberdeen AB1 9NE Scotland,UK. Nguyễn Văn Chánh, Nguyễn Thị Thanh Hương, “Giới thiệu cơ chế ăn mòn và biện pháp chống ăn mòn cốt thép trong bê tông cốt thép”, Hội nghị khoa học trẻ Bách Khoa (lần 4/2003). Nguyễn Văn Chánh, Nguyễn Thị Thanh Hương, “Nghiên cứu vữa polyme đặc biệt dùng để sửa chữa và hoàn thiện các công trình xây dựng-vữa epôxy”, Hội nghị khoa học-Công nghệ lần 8, Trường đại học Bách Khoa TP. Hồ Chí Minh, 2002.