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
+
,
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

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
C
3
A, thạch cao và sự hình thành C-S-H, Ca(OH)
2
từ C
3
S (hình1), nhưng sản phẩm từ
C
3
S 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:
Ks
K

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

3.1 Phương pháp thí nghiệm
Xi măng sử dụng thí nghiệm có hàm lượng kiềm cao và hàm lượng SO
3
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
SiO
2
Al
2
O
3
Fe
2
O
3
MgO
Na
2
O
K
2
O
SO
3
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 (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.

• 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 Na
2
SO
4
, 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 (CaCO
3
).
(a)
Hình 3 (a,b). Thể hiện vùng 1 trong mẫu vữa xi măng
ngâm trong dung dịch Na
2
SO
4
thời gian 12 tuần
(b)
Hình 4 (a,b). Thể hiện vùng 2 trong mẫu vữa xi măng
ngâm trong dung dịch Na
2
SO
4
thời gian 12 tuần
(a) (b)

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)

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 Mg
2+
và SO
4
2-
riêng biệt, và chúng có ảnh hưởng khác
nhau đối với mẫu thử. Phản ứng của ion SO
4
2-
thực chất là xâm thực của Na
2
SO
4
Phân tích SEM mẫu vữa xi măng chứa trong dung dịch magiê sunfat (MgSO
4
) thể hiện
trong hình 6 và 7.
Hình 5 (a,b). Thể hiện vùng 3 của mẫu vữa xi măng
ngâm trong dung dịch Na
2
SO
4
thời gian 12 tuần
Hình 6 : Vùng bề mặt mẫu vữa xi măng ngâm trong dung dịch
MgSO
4

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)

2
. Lượng Ca
2+
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 10µm. 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.
Nước
Ettringite tái kết tinh trong
vết nứt
Hồ xi măng giãn nở làm
tăng vết nứt
Các vết nứt vi mô
Hình dạng ettringite trong
hồ xi măng

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)