Ứng dụng mô hình tang Luping - Olofnilsson để khảo sát sự khuếch tán CI- trong bê tông và nghiên cứu ảnh hưởng của phụ gia đến quá trình này

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

1.2. Thực trạng các công trình BTCT ở vùng biển Việt Nam
8
1.3. Nguyên nhân phá hoại các công trình BTCT vùng biển
11
1.3.1. Sự ăn mòn cốt thép
12
1.3.1.1. Sự ăn mòn cốt thép do quá trình cacbonat hoá
14
1.3.1.2. Sự ăn mòn cốt thép do ion clo
14
1.3.2. Sự phá vỡ lớp phủ bê tông
18
1.3.2.1. Tác động của băng giá
18
1.3.2.2. Tác động hoá học
18
1.3.2.3. Tác động của vi sinh vật
20
1.3.3. Kết luận về sự phá huỷ BTCT trong môi trường biển
20
1.4. Sự khuếch tán ion clo trong bê tông – Các dạng tồn tại của ion clo
trong bê tông
21
1.4.1. Sự khuếch tán
22
1.4.2. Dạng tồn tại của ion clo trong bê tông
25
1.5. Các yếu tố ảnh hưởng đến hệ số khuếch tán
27
1.5.1. ảnh hưởng của nồng độ

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

BTCT trong mụi trng bin
38
2.2. Phng phỏp nghiờn cu
38
2.2.1. Phng phỏp ngõm lõu di (phng phỏp khoan chun)
38
2.2.2. Phng phỏp xỏc nh nhanh s khuch tỏn ca ion clo cú
ỏp dng in trng ca Tang Luping v Lars Olof Nilsson
39
2.2.3. Phng phỏp xỏc nh cỏc dng nng ion clo trong bờ
tụng
41
2.2.3.1. Phng phỏp ASTM C1218-92
41
2.2.3.2. Phng phỏp ASTM C1152-90
41
2.2.4. Phng phỏp qui hoch thc nghim xỏc nh t l ti u
ca ph gia siờu do v silica fume
42
2.2.5. Cỏc phng phỏp khỏc
46
2.3. Dng c v hoỏ cht
49
2.3.1. Dng c
49
2.3.2. Hoỏ cht
49
2.4. Phn mm mỏy tớnh
50
Chng 3. Kt qu v tho lun

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

3.3.3. ảnh hưởng của nhiệt độ đến hệ số khuếch tán Cl

trong bê
tông
89
3.4. Các dạng tồn tại của ion clo trong bê tông
90
3.5. Dự đoán thời điểm Cl

bắt đầu ăn mòn cốt thép
94
KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ
104
CÁC CÔNG TRÌNH KHOA HỌC LIÊN QUAN ĐẾN LUẬN ÁN
106
TÀI LIỆU THAM KHẢO
107
PHỤ LỤC







BẢNG KÝ HIỆU VIẾT TẮT

BTCT: bê tông cốt thép
C: cát
C

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

2
S: silicat bicanxit (2CaO.SiO
2
)
CSF: silica fume
DTG (derivative thermogravimetry): phương pháp đạo hàm nhiệt
khối.
DSC (differential scaning calorimetry): phương pháp nhiệt lượng kế
quét vi sai.
Luks: Luksvaxi - Thừa Thiên Huế
MC (marine spray cycles): chu trình phun sương nước biển
MFS: melamin formaldehyt sunfonat
MSA: canxi mono-sunfo aluminat
NFS: naphtalen formaldehyt sunfonat
N: nước
OPC (ordinary portland cement): xi măng portland thông thường
TC (tidal cycles): chu trình thuỷ triều
X: xi măng




DANH MỤC HÌNH

trang
Hình 1.1. Các vùng tiếp xúc và cơ chế chuyển vận các chất vào bê
tông trong môi trường biển
12
Hình 1.2. Các quá trình vật lý và hoá học gây nên sự phá huỷ công
trình BTCT trong môi trường biển

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

47
Hình 2.3. Sơ đồ nén nửa mẫu hình rầm
48
Hình 3.1. Đồ thị C(x,t) theo Luping và Nilsson khi E = 600(V/m)
55
Hình 3.2. Đồ thị đạo hàm cấp hai của hàm C(x,t)
63
Hình 3.3. Đồ thị sự khuếch tán ion Cl

khi E = 0
64
Hình 3.4. Đồ thị sự khuếch tán ion Cl

khi E = 300(V/m)
65


Hình 3.5. Đồ thị sự khuếch tán ion Cl

khi E = 600(V/m)
65
Hình 3.6. Thiết bị xác định hệ số khuếch tán Cl

có sử dụng điện
trường
66
Hình 3.7. Sự thay đổi nhiệt độ theo thời gian
67
Hình 3.8. Sự thay đổi cường độ dòng theo thời gian
68

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

thời gian t
95
Hình 3.19. Quan hệ tuyến tính giữa log
a
c
D
vµ logt ®èi víi c¸c hçn
hîp kh¸c nhau
96





DANH MỤC BẢNG

trang
Bảng 1.1. Thành phần hoá học của xi măng portland thông thường
4
Bảng 1.2. Thành phần pha của clinke
4
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
8
Bảng 1.4. Bảng đánh giá độ thấm bê tông theo phương pháp
Whiting
31
Bảng 1.5. Dữ liệu phân tích nước lỗ hổng bột nhão không chứa Cl

33

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

74


Bảng 3.10. Tính chất cơ lý của xi măng PC40 của Luks
74
Bảng 3.11. Cố định 10% siêu mịn, thay đổi tỷ lệ siêu dẻo
76
Bảng 3.12. Cố định 1% siêu dẻo, thay đổi tỷ lệ siêu mịn
76
Bảng 3.13. Các mẫu bê tông có tỷ lệ siêu mịn, siêu dẻo thay đổi
76
Bảng 3.14. Độ kháng uốn và kháng nén
77
Bảng 3.15. Ma trận thực nghiệm cho cường độ kháng nén
78
Bảng 3.16. Bảng phân tích các hệ số
78
Bảng 3.17. Bảng phân tích ANOVA
79
Bảng 3.18. Ma trận thực nghiệm cho cường độ kháng uốn
84
Bảng 3.19. Bảng phân tích các hệ số
85
Bảng 3.20. Bảng phân tích ANOVA
85
Bảng 3.21. Hàm lượng ion clo (% khối lượng mẫu) theo độ sâu
(mẫu ngâm 6 tháng)
88
Bảng 3.22. Hệ số khuếch tán của các mẫu ngâm 6 tháng
88

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.

Việt Nam có hơn 3000 km bờ biển, nhiều đảo, có thềm lục địa rộng lớn.
Trong công cuộc phát triển kinh tế và bảo vệ quốc phòng hiện nay, bên cạnh
các công trình BTCT ở vùng biển hiện có, nhà nước đang xây dựng ngày một
nhiều công trình mới như cầu cảng, dàn khoan dầu khí, các khu du lịch, các
công trình quốc phòng trên các đảo .v.v với số vốn đầu tư hàng năm lên đến
hàng nghìn tỷ đồng. Tuy nhiên rất nhiều công trình hiện có với niên hạn sử
dụng chỉ 20 đến 30 năm đã bị ăn mòn và hư hỏng nghiêm trọng, hàng năm
nhà nước phải đầu tư nhiều tỷ đồng cho công tác sửa chữa.
Có nhiều nguyên nhân đồng thời tác động gây nên sự phá hoại các công
trình BTCT vùng biển như khí hậu, sự xâm thực vật lý, sự xâm thực hoá học,
sự tác động của vi sinh vật, chúng làm hư hỏng kết cấu bê tông và ăn mòn
cốt thép. Về mặt hoá học các yếu tố gây nên sự phá huỷ BTCT là khí CO
2
, ion
2
4
SO

, ion Cl

, Tuy nhiên các nhà khoa học đã thống nhất nhận định nguyên
nhân chủ yếu gây nên sự hư hỏng của các công trình BTCT trong môi trường
biển là do sự khuếch tán ion Cl

vào bê tông, gây nên sự ăn mòn cốt thép.
Để đánh giá sự khuếch tán ion clo trong bê tông, người ta dựa vào hệ số
khuếch tán của ion clo trong bê tông. Một phương pháp chuẩn thường được
dùng để xác định hệ số khuếch tán ion clo là phương pháp khoan chuẩn

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

3
pháp khoan chuẩn chúng tôi đã đưa ra được hệ số hiệu chỉnh tương đối ổn
định của mô hình. Điều này cho thấy rằng có thể áp dụng phương pháp mô
hình hoá có sử dụng điện trường để xác định nhanh hệ số khuếch tán ion clo
trong bê tông.
Ion clo trong bê tông tồn tại dưới dạng ion clo liên kết hoá học, ion clo
hấp phụ vật lý trên bề mặt lỗ hổng và ion clo tự do trong nước lỗ hổng. Trong
3 dạng trên chỉ có ion clo tự do trong nước lỗ hổng và ion clo hấp phụ vật lý
tham gia vào việc ăn mòn cốt thép gây sự phá hoại BTCT. Trên cơ sở thực
nghiệm của chúng tôi cũng như một số tác giả cho thấy lượng ion clo tổng số
không khác nhiều so với lượng ion clo nước chiết. Do vậy, thay vì phân tích
lượng ion clo nước chiết để đánh giá thời điểm ăn mòn bắt đầu xảy ra, ta có
thể phân tích lượng ion clo tổng số, điều này là quan trọng vì quá trình phân
tích ion clo nước lỗ hổng hay ion clo nước chiết phức tạp, khó khăn hơn nhiều
so với phân tích ion clo tổng số.
Trong hàng loạt biện pháp khắc phục sự ăn mòn cốt thép của ion clo, ở
đây chúng tôi chỉ tập trung vào việc chế tạo bê tông chất lượng cao nhằm hạn
chế sự khuếch tán ion clo trong bê tông. Chúng tôi đã khảo sát sự phối hợp cả
hai loại phụ gia siêu dẻo và siêu mịn hoạt tính nhằm chế tạo bê tông chất
lượng cao và đã tìm ra điều kiện tối ưu cho sự phối hợp hai loại phụ gia này.
Trên sự khảo sát hệ số khuếch tán ion clo trong bê tông, chúng tôi đã tìm
cách dự đoán thời điểm cốt thép của công trình BTCT bắt đầu bị ăn mòn dựa
trên hệ số khuếch tán ion clo đo được. Điều này là một vấn đề thực tế quan
trọng cho các nhà xây dựng và thiết kế, nó giúp cho việc đề ra biện pháp duy
tu, sửa chữa các công trình hiện có, và đưa ra những tiêu chuẩn kỹ thuật cho
các công trình sắp xây dựng nhằm đạt được tuổi thọ theo đúng thiết kế.
Trên đây là những nội dung chính của luận án.

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

 0,3
Al
2
O
3

4 – 7
Mn
2
O
3

< 1,5
Fe
2
O
3

2,5 – 4
Na
2
O, K
2
O
< 1,5

Các oxit trong clinke đều ảnh hưởng đến thành phần pha clinke. Thành
phần các oxit chính CaO, Al

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

3CaO.Al
2
O
3

C
3
A
5 - 15
4CaO.Al
2
O
3
.Fe
2
O
3
C
4
AF
10 - 18



5
1.1.1.1. Quá trình hydrat hoá của C
3
S
Ngay sau khi đổ nước để trộn vữa, C
3

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

2+
+ 2
2
24
H SiO

+ 2OH

+ 2H
2
O = Ca
3
H
2
Si
2
O
7
(OH)
2
.3H
2
O
Sản phẩm hydrat như vậy được ký hiệu là CSH. Tại giai đoạn này ta
có thể nhận thấy sự tăng giá trị pH của dung dịch do sự giải phóng OH

.
Người ta đo được giá trị pH trong giai đoạn này vào khoảng pH = 12,8.
Sau một thời gian, các sợi canxi silicat xen kẻ chằng chịt vào nhau và lấp
đầy các lỗ mao quản, vật liệu trở nên dày đặc và cứng chắc.

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

2
O
6
+ 2H
2
O = 3Ca
2+
+ 2
2
AlO

+ 4OH


CaSO
4
.2H
2
O = Ca
2+
+
2
4
SO

+ 2H
2
O
Phản ứng này kèm theo sự phát nhiệt và tạo ra một dung dịch quá bão
hoà. Những ion này, ngay lập tức liên kết với nhau để tạo ra các tinh thể

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

)
3
.25H
2
O
ettringit
Tiếp theo giai đoạn trên là giai đoạn phản ứng chậm, ettringit tiếp tục
được tạo thành. Sau khoảng 10 – 24 giờ, thạch cao bị tiêu tốn hết dẫn đến sự
giảm nồng độ
2
4
SO

, lúc này dung dịch sẽ trở nên chưa bão hoà đối với
ettringit, do vậy chúng sẽ hoà tan cung cấp các ion
2
4
SO

để tạo với aluminat
dư một hợp chất mới là canxi mono-sunfo aluminat (MSA)
19H
2
O + 4Ca
2+
+
2
AlO

+

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


được thay thế bằng ion
2
4
SO

. Trong bê tông, ettringit biến đổi thành MSA sau vài tuần. Khoảng một
tháng sau thì MSA phản ứng chậm với aluminoferit dư để tạo ra một hydrat
phức tạp aluminoferit của canxi.
1.1.1.3. Phản ứng hydrat hoá của C
4
AF
Trong clinke ngoài C
4
AF có thể có C
2
F và xảy ra sự thuỷ phân, thuỷ hoá
tạo nên canxi hydro aluminat, canxi hydro ferit:
C
4
AF + nH
2
O  C
3
AH
6
+ CaO.Fe
2
O
3
.H

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.

Để tăng độ bền chắc và khả năng chịu lực người ta cần gia cố thêm cốt
thép giữa khối bê tông sẽ thu được vật liệu gọi là bê tông cốt thép (BTCT). Bê
tông đóng vai trò bảo vệ cho cốt thép không bị ăn mòn (giữ môi trường kiềm
bao quanh cốt thép), còn cốt thép có tác dụng tăng cường khả năng chịu ứng
lực của kết cấu vật liệu.
1.1.2.2. Các yếu tố ảnh hưởng đến chất lượng bê tông
Chất lượng bê tông chịu ảnh hưởng của rất nhiều yếu tố: chất lượng các cốt
liệu thành phần, tỷ lệ phối liệu (quan trọng nhất là tỷ lệ nước/xi măng - N/X) và
kỹ thuật thi công bê tông cũng đóng vai trò quan trọng đối với chất lượng bê
tông.
a) Tỷ lệ phối liệu
Để chế tạo bê tông, việc tính toán tỷ lệ các phối liệu là rất quan trọng,
việc tìm ra các tỷ lệ phối liệu tối ưu giúp các nhà xây dựng chế tạo được các
loại bê tông phù hợp với yêu cầu sử dụng, đồng thời hạn chế được sự lãng phí
chất kết dính, hạ giá thành sản phẩm.
b) Tỷ lệ nước/xi măng:
Trong bê tông, nước có hai chức năng:
- Chức năng hoá học: Dùng để hydrat hoá các khoáng xi măng. Trên thực
tế quá trình hydrat hoá xi măng là không hoàn toàn, mức độ hydrat hoá còn phụ
thuộc vào cấp hạt của xi măng, nếu kích thước của hạt xi măng khoảng 10m thì
phải hơn 30 ngày mới hydrat hoá hoàn toàn, trong khi đó cấp hạt xi măng, một
số có thể lên đến 70m, lúc này khả năng hydrat hoá thường không hoàn toàn.


8
- Chức năng vật lý: nước còn đóng vai trò làm cho vữa lưu biến để thi
công, đó là chức năng vật lý của nước. Đối với các công trình dân dụng, phổ
biến thường dùng bê tông với tỷ lệ N/X ~ 0,7. Như vậy so với lượng nước
dùng cho chức năng hoá học thì lượng nước dư rất lớn. Khi bê tông đông rắn,
lượng nước dư sẽ thoát ra ngoài để lại các lỗ hổng, lỗ mao quản, vết nứt làm

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)

Công trình do Nhật Bản hỗ trợ được
xây dựng năm 1975-1978.
- Bê tông: còn tốt, bong bục nhỏ; hàm


9
lượng ion clo ở vùng cận cốt thép:
0,044-1,6 kg/m
3
bê tông; độ pH =
11,96-12,09.
- Cốt thép: chưa hoặc chớm bị ăn mòn
Cảng Cửa Cấm (Hải
Phòng): 2001 (30)
Khí quyển trên
mặt nước
(15km)
Công trình được xây dựng năm 1972.
Công trình bị nứt và bong bục bê tông
bảo vệ tại các cột và sàn, riêng các
dầm bị hư hỏng 100% và gần như
không sử dụng được nữa.
Bê tông: bị nứt, bong bục từng mảng;
hàm lượng ion clo ở vùng cận cốt
thép: 0,35-2,11 kg/m
3
bê tông; độ pH:
11,4-12,04.
Cốt thép: cột, giằng, dầm bị rỉ rất
nặng, nhiều chỗ bị đứt hẳn.

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;

hàm lượng ion clo vùng cận cốt thép:
0,53-1,01; độ pH: 12,22-12,44.
Cốt thép: cột, dầm bị rỉ nhẹ, một số
kết cấu bị ăn mòn nặng.
Cảng thương vụ
Vũng Tàu: 2001 (15)
Khí quyển trên
mặt nước (3km)
Công trình được xây dựng năm 1987.
Công trình bị hư hỏng ở mức độ trung
bình đến nặng.
Bê tông: bị nứt, bong bục từng mảng;
hàm lượng ion clo vùng cận cốt thép:
0,51-1,94 kg/m
3
bê tông; độ pH:
12,40-12,48.
Cốt thép: cột, dầm, sàn bị rỉ trung
bình đến nặng và rất nặng, nhiều
thanh thép ở bụng dầm bị đứt hẳn.
Bến tàu Rạch Giá
(Kiên Giang): 2001
(16)
Khí quyển trên
mặt nước (3km)
Công trình được xây dựng năm 1985.
Công trình bị hư hỏng ở mức độ nhẹ
đến trung bình: nứt, bong bục bê tông
bảo vệ tại các chân cột, dầm, giằng
vùng nước lên xuống và khí quyển.

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

động đồng thời của nhiều yếu tố, các yếu tố này tác động đan xen lẫn nhau,
kết quả của yếu tố này là điều kiện cho yếu tố khác xảy ra. Có thể phân các
yếu tố thành các loại sau:
- Các yếu tố hoá học: do thành phần nước biển chứa các ion khác nhau
và các chất khí trong khí quyển.


12
- Các yếu tố vật lý: sự xảy ra các chu trình nóng - lạnh, khô - ẩm, đóng
băng – tan băng,
- Các yếu tố cơ học: sóng biển, gió biển,
- Các yếu tố địa hình: biến động của mực nước biển.
Tuy nhiên trên thực tế chỉ có 2 loại tác động chính gây nên sự phá hỏng
công trình BTCT trong môi trường biển là sự ăn mòn cốt thép và sự phá hỏng
lớp bê tông bảo vệ do sự rạn nứt và sự mất khối.


Hình 1.1. Các vùng tiếp xúc và cơ chế chuyển vận các chất vào bê tông trong
môi trường biển [16].



13

Hình 1.2. Các quá trình vật lý và hoá học gây nên sự phá hủy công trình
BTCT trong môi trường biển [59].
1.3.1. Sự ăn mòn cốt thép
Khi trộn xi măng với nước, chỉ sau một thời gian ngắn nước chiết xi
măng đã đạt đến pH = 13 – 14 và cao hơn pH của dung dịch nước vôi bão hoà
(pH = 12,5). Môi trường kiềm cao này là do quá trình hydrat hoá các thành

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

m
[15]. Sự hình thành lớp màng thụ động trên bề mặt thép trong môi trường
kiềm của bê tông là một quá trình tự nhiên và sự hydrat hoá xi măng theo thời
gian làm giàu OH

càng có lợi cho sự ổn định lớp thụ động này. Trong bê
tông bình thường tốc độ ăn mòn thép rất bé và có thể bỏ qua. Tuy nhiên, do
tác động của môi trường xâm thực lớp màng thụ động của thép trong bê tông
có thể bị ảnh hưởng bởi các yếu tố khác chẳng hạn như oxy và các chất khác
có mặt trong nước lỗ hổng, chúng ảnh hưởng mạnh đến sự hình thành và sự
tồn tại của lớp màng thụ động [23].
1.3.1.1. Sự ăn mòn cốt thép do quá trình cacbonat hoá
Khí CO
2
trong khí quyển có hàm lượng 0,03% theo thể tích. Khi có sự
xâm nhập của CO
2
vào bê tông sẽ xảy ra các phản ứng sau:


15
Ca(OH)
2
+ CO
2
 CaCO
3
+ H
2
O

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)

A: hằng số
Quá trình cacbonat hoá bê tông phụ thuộc nhiều yếu tố:
- Độ ẩm của bê tông: có ảnh hưởng quyết định đến quá trình cacbonat
hoá. Quá trình cacbonat hoá xảy ra mạnh ở độ ẩm tương đối 40 – 80%. Trong
môi trường khô lượng nước không đủ cho CO
2
hoà tan và ngược lại trong môi
trường bão hoà nước hệ số khuếch tán của CO
2
rất nhỏ.
- Chất lượng bê tông: độ đặc chắc của bê tông càng cao thì sự cacbonat
càng giảm.
- Nồng độ CO
2
trong môi trường.
Tuy nhiên trên thực tế người ta thấy rằng các công trình BTCT trong môi
trường biển thường được thiết kế với chất lượng bê tông cao nên sự phá huỷ
cốt thép do yếu tố cacbonat hoá là không đáng kể.
1.3.1.2. Sự ăn mòn cốt thép do ion clo
Ion clo có mặt trong bê tông có thể từ thành phần nhiễm bẩn của vật liệu
ban đầu khi đúc bê tông, hoặc như là CaCl
2
cho vào bê tông hoặc từ môi
trường có chứa ion clo, nó sẽ xâm nhập qua lớp bê tông đi đến bề mặt cốt
thép. Ảnh hưởng của ion clo đến sự ăn mòn cốt thép của các công trình BTCT
vùng biển đã được nhiều tài liệu đề cập đến. Độ thấm của ion clo từ môi


16
trường ngoài vào bê tông còn phụ thuộc vào vị trí của công trình (vùng khí

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

và thành phần của bê tông không ổn định. Do đó, quá trình và tốc độ ăn mòn
phụ thuộc vào nhiều yếu tố: hàm lượng ion clo, oxy, pH, chất lượng bê tông,
chiều dày lớp bê tông bảo vệ, thành phần môi trường xung quanh, Ăn mòn
cốt thép xảy ra khi độ pH của bê tông giảm hoặc khi hàm lượng ion clo trong
bê tông vượt quá giá trị tới hạn.

Hình 1.5. Cơ chế ăn mòn cốt thép trong bê tông

Quá trình anôt: 2Fe  2Fe
2+
+ 4e

(sắt bị hoà tan)
Quá trình catôt: O
2
+ 2H
2
O + 4e

 4OH

(khử oxy)
Ăn mòn: 2Fe + O
2
+ 2H
2
O  2Fe(OH)
2
 rỉ
Bình thường cốt thép có một lớp màng mỏng -Fe

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