Bài giảng chống ăn mòn bê tông

GVHD: TS.TRẦN VĂN MIỀN

CHƯƠNG 3

CẤU TRÚC CỦA BÊ TÔNG
Phản ứng hoá học giữa pha rắn, lỏng hay pha khí của các thành phần không
đồng nhất trong bê tông là cơ sở cho quá trình gây hư hại bê tông. Ngoài những
phản ứng hoá học xảy ra trên bề mặt phân chia pha, quá trình di chuyển vật liệu
đem theo các chất phản ứng đến bề mặt phân chia pha và phá huỷ các sản phẩm
phản ứng sinh ra trên bề mặt phân chia pha. Quá trình di chuyển và tốc độ di
chuyển ảnh hưởng đáng kể đến động lực học của các phản ứng không đồng nhất và
do đó gay hư hại trong bê tông.
Cần lưu ý, bê tông là vật liệu rỗng, trong cấu trúc rỗng của bê tông xảy ra
quá trình di chuyển của môi trường ăn mòn và của các sản phẩm phản ứng. Sự hư
hại của bê tông có thể đánh giá và dự đoán thông qua tính thấm của bê tông, ví dụ
như cấu trúc rỗng của bê tông. Đường dẫn được tạo thành thông qua hệ thống các
lỗ rỗng và khe nứt có kích thước và hình dạng khác nhau, những đường dẫn này có
thể nhận biết thông qua độ mở rộng của bề mặt bên trong. Những đặc trưng này
của đường dẫn quyết đònh đáng kể đến cường độ của những phản ứng giữa môi
trường bên ngoài và bê tông trong quá trình phá hoại bê tông. Những quá trình này
xảy ra ở bề mặt bên ngoài cũng như bề mặt bên trong của cấu trúc lỗ rỗng trong bê
tông.
3.1 Bêtông là vật liệu hỗn hợp
Về mặt vó mô, bêtông bao gồm những hạt cốt liệu lớn được bao bọc xung
quanh bằng vữa đồng nhất có mức độ cấu trúc nhỏ hơn. Vữa gồm những cốt liệu
nhỏ bao bọc xung quanh bằng nền xi măng hydrat hoá. mức độ vi mô, xi măng
hydrat hoá có chứa canxi hydrosilicat (C-S-H), những sản phẩm khác của quá trình
hydrat hoá, bao gồm cả những hạt xi măng chưa hydrat hóa và cũng chứa mạng
lưới lỗ rỗng tồn tại khí; hơi nước hay một phần chất lỏng bên trong.
mức độ siêu vi mô, C-S-H và những hạt chưa kết tinh có loại và thành
phần hoá học khác nhau, ở giữa những thành phần này tồn tại một hệ lỗ rỗng gel

khá liên tục có thể ở dạng khô được lấp đầy một phần hay toàn phần bằng chất
lỏng.
Để hiểu được tính phức tạp của cấu trúc, lượng và bản chất của những thành
phần trong cấu trúc và vai trò của bề mặt phân chia pha, thì cần thiết phải chú ý
đến bản chất hỗn hợp của bê tông. Trong quá trình phản ứng hoá học giữa bê tông
với các thành phần của môi trường bên ngoài, bề mặt phân chia pha có tầm quan
trọng rất lớn khi xem xét những phản ứng hóa học này. Bề mặt vùng liên pha cũng
như bề mặt bên trong tượng trưng cho bề mặt tiếp xúc pha trên một đơn vò thể tích
và có ảnh hưởng đònh lượng và đònh tính đến sự hư hại của bê tông. Ngoài ra còn
một số yếu tố khác có thể ảnh hưởng đến cấu trúc và tính chất của bê tông, ví dụ
như: nội ứng suất, quá trình ninh kết và rắn chắc của bê tông, ảnh hưởng của lực
tác dụng.

BÀI GIẢNG CHỐNG XÂM THỰC BTCT

14


GVHD: TS.TRẦN VĂN MIỀN

Các pha khác nhau của hợp chất quyết đònh tính chất của vật liệu thông qua
những đặt trưng của pha và sự tương tác của pha với môi trường bên ngoài. Sự
tương tác này có thể là hoá học, hóa lý hay vật lý.
3.2 Cấu trúc lỗ rỗng của bêtông
Độ rỗng tượng trưng cho một trong những đặc tính quan trọng nhất của bê
tông. Độ rỗng là phần thể tích không bò lấp đầy bởi pha rắn.
Đặc điểm của lỗ trống của một số loại VLXD thông thường thể hiện ở hình 3.1. Ở
hình 3.1, tỉ diện tích bề mặt và bán kính trung bình của lỗ rỗng được thể hiện trên
trục logarit. Độ rỗng thường được xác đònh dựa trên 3 đặc điểm cấu trúc như sau:
- Trạng thái xốp, ví dụ như tổng thể tích lỗ rỗng chiếm chỗ.

- Tỉ diện tích bề mặt bên trong của lỗ rỗng, ví dụ như diện tích hoặc bề mặt có
thể sử dụng trên một đơn vò thể tích hoặc đơn vò khối lượng của một hợp chất
xác đònh.
- Phân chia loại lỗ rỗng theo kích thước, ví dụ như phân chia tổng thể tích rỗng
thành các lỗ rỗng có cùng một khoảng thay đổi kích thước. Nếu xem xét cả
đặc tính hình học của lỗ rỗng thực thì hình dạng và hình thức tương tác giữa
các lỗ rỗng ảnh hưởng đến sự phân loại lỗ rỗng theo kích thước. Những đặc
trưng này của lỗ rỗng được biểu thò bằng các hệ số khác nhau tuỳ thuộc vào
phương pháp đo.
Lỗ rỗng hình trụ

S/m²,m³
8

10

S=er

Bêtông

10 6

Nhẹ
Sa thạch
Hạt mòn

10 4

Nặng

Cát
Đá vôi
Gạch

10² -8
10

Gỗ

10-6

10-4

Kích thước lỗ rỗng trung bình, m

10-2

Hình 3.1: Kích thước trung bình lỗ rỗng và tỉ diện tích bề mặt của các loại vật
liệu khác nhau
BÀI GIẢNG CHỐNG XÂM THỰC BTCT

15


GVHD: TS.TRẦN VĂN MIỀN

a)

b)
1

2

Cấu trúc lỗ rỗng của bê tông tạo thành3 ngay khi nhào trộn nguyên vật liệu thành
phần trong bê tông với nước, cấu trúc rỗng này tiếp tục phát triển theo quá trình
nhào trộn và quá trình ninh kết của hỗn hợp bê tông. Cấu trúc rỗng trong bê tông
tiếp tục thay đổi theo thời gian do quá trình hydrat hóa của xi măng vẫn tiếp tục
sau khi kết thúc thời gian ninh kết trong bê tông. Tính chất của cấu trúc lỗ rỗng phụ
thuộc vào hàm lượng tương đối các thành phần trong một đơn vò thể tích bê tông, sự
đồng nhất và đặc sít của hỗn hợp bê tông cũng như điều kiện và thời gian bảo
quảVớ
n. i α=0,3; b) Với α=0,7; 1-Hạt xi măng chưa hydrat hoá hoàn toàn;
Sản phẩ
m hydrat
khôcnlỗ
g rỗ
thểnglắmao
p đầquả
y hoà
2-gel
xi mănhó
g; a3-Cá
n n toàn thể tích rỗng trong bê tông.
Phần thể tích giữa các hạt keo riêng rẽ của vật liệu tạo thành độ rỗng khoảng 28%
Hình 3.2: Sự thay đổi trong lỗ rỗng mao quản của đá xi măng
trong bê tông. Hệ thống bao gồm những hạt keo này gọi là gel xi măng và khoảng
cách giữa những hạt keo gọi là lỗ rỗng gel. C-S-H kết tinh yếu có cấu tạo rất nhiều
gel, do đó gel này được gọi là gel hydrosilicat. Quan điểm này về cấu trúc của đá
xi măng tương tự như mô hình Power’s, nó không đề cập đến những thành phần
khác của đá xi măng ví dụ như hạt xi măng chưa hydrat hóa; tinh thể Ca(OH) 2 và
những lỗ rỗng khác như lỗ rỗng khí.

Lỗ rỗng gel vô cùng nhỏ, chiều rộng khoảng 1.5nm, các kích thước của lỗ rỗng gel
có thể bằng kích thước của phân tử nước. Vì vậy, tính chất của màng nước và nước
hấp phụ khác với tính chất của nước tự do.
Như đã đề cập ở trên, gel có trạng thái rỗng và lỗ rỗng gel chiếm khoảng 28% tổng
thể tích của gel. Giá trò này đặc trưng cho xi măng Portland, không phụ thuộc vào tỉ
lệ N/X trong hỗn hợp cũng như mức độ hydrat hoá. Điều này cho thấy rằng, các
tính chất của gel được tạo thành ở tất cả những thời kỳ hydrat hoá là giống nhau,
và khi xi măng tiếp tục hydrat hóa thì các sản phẩm hydrat hóa không thay đổi.
Những loại lỗ rỗng khác cũng hình thành trong quá trình hydrat hoá của xi măng.
Kết quả là làm thay đổi thể tích của hệ xi măng – nước, các sản phẩm hydrat hoá
có thể tích nhỏ hơn so với thể tích ban đầu của những thành phần tham gia phản
ứng. Hiện tượng này (co hóa học) là nguyên nhân làm co thể tích của lỗ rỗng. Khi
quá trình hydrat hóa của xi măng diễn ra, hệ thống lỗ rỗng trong bê tông được lấp
đầy bằng các sản phẩm hydrat hóa của xi măng, trước hết là những khoảng trống
giữa những hạt xi măng đã hydrat hoá và hạt xi măng chưa hydrat hoá. Lỗ rỗng đó
gọi là lỗ rỗng mao quản, chúng được lấp đầy bằng dung dòch chứa các thành phần
hydrat của xi măng và không khí. Thể tích của lỗ rỗng mao quản giảm khi mức độ
hrat hóa tăng bởi vì các sản phẩm hydrat hóa chiếm phần thể tích nhiều gấp 2
lần so với thể tích của hạt xi măng ban đầu.
Lỗ rỗng mao quản của xi măng đã hydrat hóa giảm theo thời gian do quá trình
hydrat hóa của xi măng vẫn tiếp tục. Thể tích gel xi măng rỗng gấp 2.2 lần so với
thể tích xi măng chưa hrat hoá, vì vậy các sản phẩm hydrat hoá lấp đầy một
BÀI GIẢNG CHỐNG XÂM THỰC BTCT

16


GVHD: TS.TRẦN VĂN MIỀN

phần thể tích rỗng mà nước nhào trộn bê tông đã chiếm chỗ (Hình 3.2). Tổng thể

tích rỗng và rỗng mao quản của xi măng đã rắn chắc giảm xuống khi mức độ
hydrat hóa tăng lên, và độ rỗng gel tăng do thể tích của gel xi măng tăng (Hình
3.3).

0.8

N/X=0.35

N/X=0.7

Độ rỗng

0.6
Pt

Pg
0

0.2

0.6

0.4

Pc
Pg

0.2

Pc

0.4

Pt

0

0.8

0.2

0.4

0.6

0.8

Co khí

% theo
tíchđổi cấu trúc rỗng trong đá xi măng theo mức độ hydrat hoá
Hình 3.3:
Sựthể
thay

100

97 ví dụ như lượng nước ban đầu có mặt
93o tỉ lệ91N/X,
Lỗ rỗng mao quản tuỳ thuộc và
trong hồ, và mức độ hydrat hoá. Khi tỉ lệ 86

N/X cao hơn 0.38 thì sản phẩm gel hydrat
hoá không lấp đầy thể tích rỗng trong hồ xi măng đóng rắn và luôn tồn tại một
80
81n xác đònh ngay cả trong trường hợp xi măng hydrat
phần thể tích lỗ rỗng mao quả
hoá hoàn toàn (Hình 3.4). Kích thướ73
c củ71
a lỗ rỗng 76
mao quản63được xác đònh bằng
69
phương pháp đo hấp thụ hơi nước. Bằng phương pháp này, kích thước của lỗ rỗng
60
mao quản được xác đònh trên 1.3µm. Những lỗ rỗn56
g mao57
quản có nhiề53
u loại khác
nhau do nguồn gốc hình thành của chúng, tạo thành một hệ thống các ố48
ng dẫn nhỏ
46
li ti liên thông với nhau. Nhữngï lỗ rỗng mao quản liên thông này ảnh hưở
39ng rất lớn
40
đến độ thấm và độ bền của đá xi măng. Khi tăng mức độ hrat hoá, trong hồ xi
măng, thể tích của pha tăng lên32
, tại một thời điểm xác đònh, trong đá xi măng, các
gel của sản phẩm hydrat hóa làm cho một phần lỗ rỗng mao quản co lại và có khả
20
năng phân chia.

0

0.2

0.4

0.6

0.8

1
N/X

0.2

0.38

0.6

BÀI GIẢNG CHỐNG XÂM THỰC BTCT
Các lỗ rỗng gel

Hình 3.4: Sự phụ thuộc của lỗ rỗng mao quản vào tỉ lệ N/X

17


GVHD: TS.TRẦN VĂN MIỀN

Quá trình liên thông lỗ rỗng tuỳ thuộc vào tỉ lệ N/X ban đầu và giai đoạn dưỡng hộ
ẩm. Giá trò gần đúng của tỉ lệ N/X và thời gian trước khi việc phân ly các ống mao

dẫn diễn ra được trình bày như sau:
Bảng 3.1 Thời gian cần thiết để bắt đầu phân ly lỗ rỗng mao quản tương ứng với
những tỉ lệ N/X khác nhau
Tỉ lệ N/X
Thời gian
0.4
3 ngày
0.45
7 ngày
0.5
14 ngày
0.6
6 tháng
0.7
1 năm
Trên 0.7
không xác đònh
Tỉ lệ N/X và thời gian phụ thuộc vào các tính chất của xi măng. Khi tỉ lệ N/X lớn
hơn 0.7, các lỗ rỗng mao quản duy trì trạng thái liên thông với nhau. Trong trường
hợp sử dụng loại xi măng rất mòn, tỉ lệ N/X lớn nhất có thể cao hơn một ít và gần
bằng 1. Trong trường hợp sử dụng xi măng có độ mòn thấp, tỉ lệ N/X này thấp hơn
0.7. Để tạo ra loại bê tông có độ bền cao, trong cấu trúc lỗ rỗng của bê tông không
nên tồn tại các lỗ rỗng mao quản liên thông với nhau.
Nghiên cứu các giai đoạn hình thành cấu trúc trong đá xi măng cho thấy rằng, nên
sử dụng những phương pháp đo trực tiếp, ví dụ như đo khả năng hấp thụ hơi nước,
để kiểm tra lại cách phân loại truyền thống lỗ rỗng thành lỗ rỗng gel và lỗ rỗng
mao quản. Các phương pháp đo trực tiếp, ví dụ như kính hiển vi điện tử quét, cho
thấy trong cấu trúc của đá xi măng bao gồm chủ yếu các hạt của sản phẩm hydrat
hoá có loại và kích thước khác nhau, những hạt này có đặc tính kích thước nằm
trong khoảng 0.1 đến gần 5µm. Lỗ rỗng có kích thước đến 1µm chiếm phần lớn.

Hơn thế nữa, tại một số nơi trong cấu trúc của hồ xi măng rắn chắc có sự xuất hiện
của hệ thống các lỗ rỗng hình kim và tổ ong có thể thấy được với kích thước
khoảng 0.1µm. Khi nghiên cứu cấu trúc lỗ rỗng của đá xi măng dùng phương pháp
thẩm thấu thủy ngân thấy rằng, hầu hết các lỗ rỗng có đường kính nằm trong
khoảng từ 0.01 đến 0.1µm. Ngoài ra còn có những loại lỗ rỗng khác được tạo thành
do quá trình lắng đọng trong bê tông. Những loại lỗ rỗng này được xem như các
khuyết tật trong cấu trúc bê tông. Loại lỗ rỗng này được tạo thành do sự phân tầng
trên bề mặt hay phân tầng nước bên trong cấu trúc bê tông. Trong trường hợp phân
tầng trên bề mặt, một phần nước dùng để nhào trộn thẩm thấu vào trong bề mặt
của bê tông và tạo thành hệ thống gồm nhiều kênh dẫn liên thông với nhau. Trong
BÀI GIẢNG CHỐNG XÂM THỰC BTCT

18


GVHD: TS.TRẦN VĂN MIỀN

trường hợp phân tầng nước nội, những lỗ rỗng này thường sinh ra sự lắng đọng của
hồ nằm bên dưới bề mặt nhẵn của những hạt cốt liệu lớn.
Lỗ rỗng tạo thành do quá trình lắng đọng trong bê tông có kích thước 50-100µm.
Các lỗ rỗng hình thành bên dưới những hạt cốt liệu lớn có kích thước lớn hơn, thậm
chí có thể nhận thấy những lỗ rỗng này bằng mắt thường. Điều này chứng tỏ rằng,
lớp vữa bao quanh hạt cốt liệu lớn càng mỏng thì lớp bề mặt càng nhỏ và phân
tầng nước nội càng nhiều.
Lỗ rỗng tạo thành từ quá trình lắng đọng trong bê tông ảnh hưởng rất lớn đến độ
thấm của nước vào trong bê tông bởi vì nước sẽ tồn tại ở trạng thái tự do trong
những lỗ rỗng có kích thước lớn hơn 50µm. Sức căng bề tác động lên một phần rất
nhỏ thể tích nước, và vì vậy nước có thể di chuyển dưới tác dụng của trọng lực
hoặc dưới tác dụng của áp suất thuỷ tỉnh rất nhỏ. Do đó, lỗ rỗng tạo thành trong
quá trình lắng đọng củ bê tông đóng vai trò chủ đạo đối với quá trình truyền khối

và có ảnh hưởng rất lớn đến độ bền của bê tông và của kết cấu bê tông.
Lỗ rỗng khí thường có dạng hình cầu hình thành ngẩu nhiên hoặc hình thành do
dùng phụ gia tạo khí trong hỗn hợp bê tông. Vì vậy, tồn tại một hàm lượng khí xác
đònh hấp thụ trên bề mặt hạt xi măng và bề mặt cốt liệu, khí này không bò phá vỡ
trong quá trình nhào trộn bê tông. Hàm lượng khí này có thể tăng lên khi dùng phụ
gia cuốn khí. Loại khí này có đường kính lỗ rỗng nằm trong khoảng từ 25 đến 500
µm hay cao hơn. Trong bê tông, thể tích lỗ rỗng khí thường không quá 5% so với
thể tích bê tông.
Trong trường hợp đưa bọt khí vào hỗn hợp bê tông một cách ngẫu nhiên, hỗn hợp
bê tông khó thi công, nguyên nhân có thể do hỗn hợp bê tông chứa lỗ rỗng rời rạc
và do sự tích tụ cục bộ của lỗ rỗng khí, hiện tượng này làm giảm tính đồng đều
trong hỗn hợp bê tông và làm suy giảm những tính chất cơ học của bê tông sau khi
đóng rắn. Ngược lại, khi đưa bọt khí vào hỗn hợp bê tông một cách thích hợp thì
kích thước, số lượng lỗ rỗng và khoảng cách giữa các lỗ rỗng sẽ thích hợp và có thể
nâng cao độ bền cho bê tông.
Lỗ rỗng được phân loại theo kích thước và nguồn gốc như sau:
Lỗ rỗng gel : 0.5 đến 30nm
Lỗ rỗng mao quản: 30 đến 50µm
Lỗ rỗng khí : 0.1 đến 1mm
Lỗ rỗng sinh ra do đầm chặt : 1mm
Lỗ rỗng trong đá xi măng cũng có thể được phân loại theo cách khác dựa trên
nguồn gốc và kích thước của lỗ rỗng, và dựa trên khả năng sinh ra những ảnh
hưởng đến chất lượng của đá xi măng. Dựa vào cách phân loại này, lỗ rỗng trong
đá xi măng được phân thành 2 loại.
Bảng 3.2 Phân loại lỗ rỗng theo nguồn gốc và kích thước lỗ rỗng
Tên lỗ rỗng
Nguồn gốc và mô tả lỗ rỗng
Bán kính
Lỗ rỗng vi mô Đặc tính kích thước và hình dạng phụ thuộc ≤ 1µm
hydrat hóa

vào dạng và tổng thể tích của sản phẩm
hrat
BÀI GIẢNG CHỐNG XÂM THỰC BTCT

19


GVHD: TS.TRẦN VĂN MIỀN

Lỗ rỗng kỹ thuật

Lỗ rỗng khí, những khuyết tật và vết nứt vi ≥ 1 µm
mô khác nhau được tạo thành do những
nguyên nhân khác nhau

Hơn nữa, dựa vào đặc tính bán kính lỗ rỗng, lỗ rỗng có thể được chia thành lỗ rỗng
vi mô có bán kính nhỏ hơn 10µm và lỗ rỗng vó mô có bán kính lớn hơn. Ngoài ra,
dựa vào kích thước của lỗ rỗng, lỗ rỗng trong bê tông cũng có thể được phân loại
theo cách khác:
Lỗ rỗng vi mô
: < 2nm
Lỗ rỗng trung bình : 2 đến 10nm
Lỗ rỗng vó mô
: 50nm
Bảng 3.3 Phân loại lỗ rỗng theo kích thước trong đá xi măng
Tên lỗ
rỗng

Lỗ rỗng
vó mô

Lỗ rỗng
mao
quản

Kích
thước

100015µm
150.05µm
50-10µm

Lỗ rỗng 10-2.5nm
gel
2.50.5nm

Dưới
0.5nm

Các đặc tính

Trạng thái của
nước trong lỗ rỗng

Lỗ rỗng lớn hình cầu

Có các tính chất
của toàn pha
Mao quản lớn
Có các tính chất
của toàn pha

Kích thước mao quản Có hoạt động
trung bình
trung bình của sức
Khoảng trống mao quản. căng bề mặt
Lỗ rỗng giữa các hạt
Lỗ rỗng gel nhỏ
Có hoạt động
mạnh của sức
căng bề mặt
Lỗ rỗng vi mô, lỗ rỗng Hấp thụ mạnh
gel và lỗ rỗng giữa các
hạt tinh thể
Lỗ rỗng vi mô nằm giữa Cấu trúc
các lớp (khoảng trống
giữa các lớp), lỗ rỗng
nằm giữa những hạt kết
tinh

Những tính chất
của đá xi măng bò
ảnh hưởng bởi
kích thước lỗ rỗng
Cường độ và độ
thấm
Cường độ và độ
thấm
Cường độ, độ
thấm và co ngót
khi độ ẩm cao
Co ngót khi độ ẩm

tương đối lean đến
50%
Co ngót và từ biến

Co ngót và từ biến

Khi nhào trộn và đầm nén không thích hợp hỗn hợp bê tông, trong bê tông hình
thành những lỗ rỗng nằm giữa những hạt cốt liệu lớn (gọi là hốc), loại lỗ rỗng này
được xem là khuyết tật trong bê tông. Loại lỗ rỗng này có kích thước nằm trong
khoảng từ 1 đến 30.106nm.
Những lỗ rỗng nằm bên dưới bề mặt của các hạt cốt liệu dài-phẳng sinh ra do sự
phân tầng nước nội trong hỗn hợp bê tông cũng được xem là một dạng khuyết tật
BÀI GIẢNG CHỐNG XÂM THỰC BTCT

20


GVHD: TS.TRẦN VĂN MIỀN

bên trong cấu trúc bê tông. Loại trừ những yếu tố khuyết tật kể trên, những yếu tố
sau có thể gây ảnh hưởng đáng kể đến độ bền của bê tông: nứt do co ngót, do nhiệt
và do những nguyên nhân khác. ng suất cơ học trong bê tông có thể tạo thành
những vết nứt trong lớp liên kết giữa xi măng, vữa và cốt liệu. Lỗ rỗng trong bê
tông được đặc trưng bởi kích thước và dạng lỗ rỗng. Loại và sự đa dạng của lỗ rỗng
phụ thuộc vào phương pháp tạo thành lỗ rỗng, ví dụ như sự đóng rắn của xi măng.
Dạng lỗ rỗng tương ứng đặc trưng cho thành phần của xi măng, cốt liệu và cũng
tượng trưng cho những tính chất đặc biệt của sản phẩm hydrat hóa. Dạng chủ yếu
của lỗ rỗng khí là hình cầu. Lỗ rỗng không nhất thiết phải là hình trụ có tiết diện
tròn, tiết diện của lỗ rỗng thay đổi.
Bọt khí lớn

Tinh thể Ca(OH)2 và
Monosunphat
Khoảng cách giữa
Lỗ rỗng
các màng C-S-H
quản

mao

Bọt khí nhỏ
Khoảng cách lớn nhất
giữa các bọt khí đảm
bảo bền trong điều kiện
băng giá

C-S-H keo tụ

Hình 3.5: Kích thước hạt và các loại lỗ rỗng trong đá xi măng

1cm

1mm

1
2

1cm

Hình 3.6: Các loại lỗ rỗng trong bê tông

1- Các lỗ rỗng mao quản;
2- gel xi măng có lỗ rỗng gel

-6

20.10 cm

3.3. Các yếu tố ảnh hưởng đến cấu trúc lỗ rỗng
Các yếu tố chính ảnh hưởng đến cấu trúc lỗ rỗng của bê tông được minh họa ở hình
3.7.
BÀI GIẢNG CHỐNG XÂM THỰC BTCT

21


GVHD: TS.TRẦN VĂN MIỀN

3.3.1. nh hưởng của loại xi măng
Cấu trúc lỗ rỗng của đá xi măng bò ảnh hưởng bởi những điều kiện vật lý ban đầu
của hỗn hợp bê tông, ví dụ như tỉ lệ N/X. Cấu trúc lỗ rỗng của bê tông cũng bò ảnh
hưởng bởi sự đa dạng của sản phẩm hydrat hóa, kích thước và hình thái của chúng.
Những hỗn hợp chứa các sản phẩm hydrat hóa giống nhau cũng có sự phân loại lỗ
rỗng giống nhau theo kích thước (bảng 3.4).
Bảng 3.4 Kích thước trung bình của lỗ rỗng trong đá xi măng chứa sản phẩm hydrat
hóa của các loại xi măng khác nhau
Sản phẩm hydrat hóa

Bán kính lỗ rỗng
trung bình, nm
10 – 40

20 – 80
50 – 100
70 – 700
300 - 6000

Tobermorit và pha giống tobermorit
Canxi silicat hydrat (C-S-H)
Hỗn hợp gồm 70-80% gehlenit và 20-30% CSH
Hỗn hợp 70-80% pha hydrrogarnet và 20-30% CSH
Pha hydrogarnet C3AH6

Loại xi măng

Tuổi của đá
xi măng

Điều kiện bảo trì

Mức độ hydrat hoá

N/X

Độ ẩm

Độ rỗng

Phụ gia

Thành phần và
cấu trúc gel

Cường độ của
đá xi măng

Cường độ của
bê tông

Hình 3.7: Các yếu tố chính ảnh hưởng đến cấu trúc lỗ rỗng của bê tông
BÀI GIẢNG CHỐNG XÂM THỰC BTCT

22


GVHD: TS.TRẦN VĂN MIỀN

Độ rỗng của xi măng thay đổi theo thời gian. Xi măng cường độ cao có độ rỗng
thấp nhất (hình 3.8). Bán kính trung bình của lỗ rỗng cũng phản ánh tốc độ tạo
thành các sản phẩm hydrat hóa của xi măng. Bán kính lỗ rỗng trung bình của đá xi
măng cường độ cao khoảng 40nm, trong khi đó, đá xi măng Portland thông thường
có đường kính trung bình của lỗ rỗng trên 170nm, đá xi măng xỉ có đường kính
trung bình lỗ rỗng khoảng 280nm (hình 3.9).

Cường độ chòu nén, MPa

80
60
40
20

50

48
46
SPC325 VHPC550
44
42
40
PC400
38
SPC325 36
34
VHPC550
32
30
PC400
28
26
Cường độ chòu nén
Độ rỗng

0,25

1

3

Độ rỗng

100

28 90

Thời gian đóng rắn, ngày

Bán kính trung bình của các lỗ rỗng vi mô, nm

Hình 3.8: Sự phụ thuộc của lỗ rỗng vào loại xi măng sử dụng

200
180

280

160
140
120
100

3

80
2

60
40

1

20
0,25

BÀI GIẢNG CHỐNG XÂM THỰC BTCT

1

3

28

90 Ngày

Thời gian đóng rắn

Hình 3.9: Bán kính trung bình của lỗ rỗng trong các loại đá xi măng khác nhau

23


GVHD: TS.TRẦN VĂN MIỀN

Bán kính trung bình của lỗ rỗng
vi mô, nm

Cấu trúc của đá xi măng cũng phản ánh độ mòn của xi măng. Đối với xi măng Alit,
tăng độ mòn xi măng sẽ làm giảm độ rỗng tổng cộng, giảm thể tích vó mô (bán kính
lớn hơn 100µm), giảm thể tích lỗ rỗng vi mô (bán kính nhỏ hơn 5µm). Trong trường
hợp xi măng Belit, thể tích của lỗ rỗng vó mô không tăng khi độ mòn tăng. Điều này
tạo ra khả năng bền sunfat rất cao trong đá xi măng Belit. Khi tăng tỉ diện tích bề
mặt từ 339 lên 677.9 m2/kg thì cấu trúc lỗ rỗng tạo thành trong đá xi măng nhanh
hơn, và cũng làm giảm nhanh chóng bán kính lỗ rỗng trung bình. Hình 3.10 miêu tả
mối quan hệ giữa kích thước lỗ rỗng trung bình và tỉ diện tích bề mặt của xi măng.

Khi tăng tỉ diện tích bề mặt của xi măng đến 600m 2/kg thì giá trò bán kính trung
bình của lỗ rỗng giảm xuống còn khoảng 30nm thậm chí sau 24 giờ đóng rắn của
hồ xi măng. Dễ thấy rằng, việc tăng tỉ diện tích bề mặt của xi măng quá 550 m 2/kg
là không hiệu quả.

80
24 giờ
60
3 ngày
40
28 ngày
20

1

60 ngày

2

3

4

3.3.2. nh hưởng của 300
tỉ lệ nước/ 400
xi măng 500
6002
Diệ
n
tích

bề
mặ
t
củ
a
xi
mă
n
g,
Tỉ lệ N/X sử dụng có ảnh hưởng hầu hết đến cấu trúcmlỗ/kg
rỗng của đá xi măng, của
vữHình
a và củ
a bê
g. Khi
nhàbình
o trộncủxi
mălỗ
ngrỗvớ
c sẽ
thànnghvà
mộdiệ
t hệ
dungbềdòch
3.10:
Bátônnkính
trung
a vi
ngi nướ
trong

đátạ
xiomă
n tích
có chứa mặ
cáct củ
hạat xi
ng. Tỉ lệ đế
N/X
càngDiệ
caon thì
g nướ
nằm giữa các
xi mă
mănngg, lơ
vớlử
i N/X=0,3
n 0,32.
tíchmà
bềnmặ
t, mc2/kg:
hạt xi măng càng dày. Trong
hệ2-503,2;
dung dòch
chứa4-677,9
những hạt xi măng lơ lửng, nước
1-339;
3-605;
BÀI GIẢNG CHỐNG XÂM THỰC BTCT

24

GVHD: TS.TRẦN VĂN MIỀN

nhào trộn hình thành một hệ thống các lỗ rỗng mao quản liên thông với nhau trong
toàn bộ thể tích của đá xi măng. Hình 3.11 mô tả sự thay đổi cấu trúc lỗ rỗng của
đá xi măng khi thay đổi tỉ lệ N/X. Hàm lượng nước nhào trộn phụ thuộc chủ yếu
vào yêu cầu tính lưu biến của hồ xi măng, và cũng phụ thuộc vào các tính chất của
xi măng, ví dụ như lượng nước yêu cầu.
Mức độ hydrat hoá tối đa có thể

23

30

70

Thể tích các lỗ rỗng mao dẫn

100%

Tổng thể tích của các lỗ
rỗng

100

0

60
40

Hạt xi măng
chưa hydrat

20
0

0,1

Gel xi măng

Thể tích,%

80

0,2

0,3

0,4

0,5

0,6

0,7

0,8

0,9
N/X

1

Nước

N/X
0,2
Hạt xi
măng

Hydrat hoá

N/X
0,4

Các lỗ rỗng mao
dẫn

N/X
0,6
Các lỗ rỗng mao
dẫn

Hình 3.11: Cấu trúc vi mô của đá xi măng
Khi tăng N/X thì bê tông không những bò rỗng mà còn xuất hiện hiện tượng phân
tầng kích thước các lỗ rỗng (hình 3.12). Sau 28 ngày, kích thước lớn nhất của lỗ
rỗng mao quản (có bán kính trên 100nm) sẽ lớn hơn khi tăng N/X. Xu hướng trên
vẫn duy trì thậm chí sau hơn một name đóng rắn xi măng. Ngoài ra, khi tăng tỉ lệ
N/X thì kích thước trung bình của lỗ rỗng cũng tăng. Khi tăng tỉ lệ N/X lên 1 thì độ
rỗng của đá xi măng giảm rất ít ở 3 ngày đầu (hình 3.13). Tuy nhiên, sau đấy, sự

BÀI GIẢNG CHỐNG XÂM THỰC BTCT

25


GVHD: TS.TRẦN VĂN MIỀN

hydrat hoá thay đổi làm giảm thể tích của những lỗ rỗng lớn. Nguyên nhân là do
thể tích của những sản phẩm hydrat hóa hình thành với tỉ lệ N/X cao không đủ để
lấp đầy các khoảng trống và không làm phân tầng những lỗ rỗng lớn hơn trong hệ
thống lỗ rỗng có kích thước nhỏ.
V, cm3/g
0,25
C'
N/X=0,6
0,2
C
0,15
B'
B
N/X=0,48
0,1

A'
0,05
N/X=0,26

3:10

3

A

1.10

1.10

3

1.10

4

-10
1.10R 10 m
5

Hình 3.12: Các đường cong hấp thụ của đá xi măng
3.3.3. nh hưởng của nhiệt độ và độ ẩm
Nhiệt độ của môi trường mà vữa xi măng đóng rắn ảnh hưởng rất lớn đến cấu trúc
lỗ rỗng. Nghiên cứu cấu trúc lỗ rỗng của đá xi măng tương ứng với nhiệt tạo thành
cho thấy có sự khác nhau rõ ràng trong việc phân chia kích thước tự nhiên của lỗ
rỗng ở nhiệt độ 6 và 400C. Trong thời kỳ 4 ngày đầu, lỗ rỗng trong đá xi măng
hydrat hóa trong điều kiện nhiệt độ rất thấp có lỗ rỗng rất lớn và có tổng độ rỗng
cao hơn so với mẫu hydrat hóa ở nhiệt độ rất cao. Sau gần 1 năm mẫu đá xi măng
hydrat hóa ở điều kiện nhiệt độ như vậy, độ rỗng của mẫu đá xi măng hydrat hóa ở
400C hơi lớn hơn và lỗ rỗng có kích thước nhỏ hơn 50µm chiếm đa số (hình 3.14).
So sánh cấu trúc lỗ rỗng của vữa xi măng đóng rắn ở 100 0C và 200C cho thấy rằng,
mẫu vữa xi măng hydrat hóa ở 1000C có lỗ rỗng lớn hơn rất nhiều so với kích thước
lỗ rỗng của mẫu vữa hydrat hóa ở 200C. Khi tăng nhiệt độ đóng rắn lên 800C thì thể

tích của loại lỗ rỗng có kích thước nhất (lớn hơn 1µm) tăng lên đáng kể, loại lỗ
BÀI GIẢNG CHỐNG XÂM THỰC BTCT

26


GVHD: TS.TRẦN VĂN MIỀN

rỗng này chiếm đa số khi khi vữa đóng rắn ở 1000C (chiếm đến 80%). Lượng nước
trong các lỗ rỗng mà xi măng hay vữa xi măng đóng rắn có ảnh hưởng đáng kể đối
với tổng thể tích lỗ rỗng và cũng đối với sự phân chia kích thước lỗ rỗng. Vữa xi
măng đóng rắn trong điều kiện môi trường ẩm kéo dài, cấu trúc lỗ rỗng của vữa có
nhều lỗ rỗng có kích thước nhỏ hơn 1µm. Khi vữa xi măng đóng rắn ở điều kiện
môi trường không khí, độ rỗng của vữa ít thay đổi nhưng số lượng loại lỗ rỗng có
kích thước lớn sẽ tăng. Vữa đặc chắc có 8-10% lỗ rỗng có đường kính dưới 0.01µm,
khi vữa xi măng sử dụng tỉ lệ N/X trên 0.87 thì tồn tại rất ít loại lỗ rỗng có kích
thước dưới 0.01µm.
N/X=1

70

0.9
0.8
0.7

60

Tổng độ rỗng, %

0.6

50
0.5

30
0.4

20

20
1

2

3

7

28

60

Tuổi, ngày

Hình 3.13: Sự thay đổi toàn phần độ rỗng trong đá xi măngphụ thuộc vào tuổi
của đá xi măng
Những lập luận ở trên xuất phát từ quan điểm rằng, khi tỉ lệ N/X quá 0.7, trong cấu
trúc của đá xi măng hình thành một hệ bao gồm các lỗ rỗng mao quản liên thông
với nhau. Vì vậy, bê tông có tỉ lệ N/X cao sẽ không thể bền vững trong các môi
trường xâm thực bởi vì các thành phần của môi trường xâm thực rất dễ xâm nhập

vào bề mặt bên trong của đá xi măng. Điều kiện môi trường không thích hợp có
BÀI GIẢNG CHỐNG XÂM THỰC BTCT

27


GVHD: TS.TRẦN VĂN MIỀN

ảnh hưởng lớn đến cấu trúc lỗ rỗng của đá xi măng, ví dụ như, độ ẩm tương đối
giảm từ 75 xuống 33% thì độ rỗng của đá xi măng tăng lên và xuất hiện lỗ rỗng có
kích thước quá 30nm. Sự thay đổi này là do nước bốc hơi nằm trong các lỗ rỗng lớn
bò bốc hơi trong suốt quá trình làm khô, vì vậy số lượng sản phẩm hydrat tạo thành
trong những lỗ rỗng trên sẽ không tăng thêm nữa. Nhiệt độ thay đổi từ 17 đến 37 0C
cũng gây ra ảnh hưởng tương tự như trường hợp của môi trường ẩm (hình 3.15).
6
0.20

4 ngày

0.10

Độ rỗng, cm3/g

40

6

0.0

28

ngày
0.10

40

0.0

40

360
ngày

0.10

6

0.0
10

100

1000

10

100

-10

Đường kính lỗ rỗng, 10 m

Hình 3.14: Độ rỗng của đá xi măng ở những điều kiện nhiệt độ và tuổi đóng
rắn khác nhau
Nước bay hơi làm giảm thể tích tương đối của những lỗ rỗng mao quản vó mô có
bán kính lớn hơn 100nm, điều này làm tăng khả năng chống xâm thực sulphat cho
xi măng. Điều kiện nhiệt độ và độ ẩm trong môi trường xung quanh bê tông, đặc
biệt là ở giai đoạn đầu rắn chắc, và những điều kiện không thuận lợi cho quá trình
đóng rắn ảnh hưởng có hại đến cấu trúc và tính chất của lớp bề mặt bê tông. Khi
thay đổi nhiệt độ và giảm độ ẩm ở lớp bề mặt, kích thước lỗ rỗng tăng nhưng tỉ lệ
lỗ rỗng nhỏ hơn 4 nm giảm. Thể tích của lỗ rỗng nhỏ thay đổi là do lỗ rỗng bò vỡ
khi khô. Ở cùng một điều kiện độ ẩm 100%, cấu trúc lỗ rỗng của bê tông hydrat
BÀI GIẢNG CHỐNG XÂM THỰC BTCT

28


GVHD: TS.TRẦN VĂN MIỀN

hóa ở nhiệt độ 1300C thay đổi so với cấu trúc lỗ rỗng của bê tông hydrat hóa ở
nhiệt độ 200C, thể tích của lỗ rỗng có bán kính 10-100nm tăng, cấu trúc lỗ rỗng
thay đổi đồng thời với sự thay đổi của kích thước trung bình của lỗ rỗng. Ở cùng
một điều kiện nhiệt độ, độ ẩm của môi trường nhỏ hơn 65% làm tăng phần lỗ rỗng
có bán kính từ 100 đến 1000nm, bán kích trung bình của lỗ rỗng cũng tăng. Dưỡng
hộ nhiệt bê tông với tần số cao không làm thay đổi cấu trúc lỗ rỗng của bê tông ở
lớp bề mặt so với cấu trúc lỗ rỗng của toàn bộ bê tông, đây là đặc thù của những
phương pháp truyền thống được sử dụng để đẩy nhanh quá trình rắn chắc của bê
tông bằng dưỡng hộ nhiệt.
0.3
33%
0.2

a)

N

33%

75%

N

d)

75%

Độ rỗng, cm3/g

0.1

0
33%
2

33%

75%

b)
N

75%

N

e)

1

0

0.2

75%

75%

c)

f)
N

N

0.1

0

0.001

0.01

0.03

0.1

1

0.001

0.01

Đường kính lỗ rỗng, um

0.03

0.1

1

10

Hình 3.15: Độ rỗng của đá xi măng ở những độ ẩm môi trường khác nhau
(độ ẩm tương đối, N%)
a,b,c- nhiệt độ 17oC; d,e,f- 37oC;
Tuổi của đá xi măng, a và d- 7 ngày; b và e- 28; c và f- 90
3.3.4. nh hưởng của thời gian rắn chắc xi măng
Trong suốt quá trình xi măng hydrat hoá, tổng độ rỗng và thể tích lỗ rỗng mao quản
giảm do sản phẩm hrat hoá lấp đầy một phần vào trong các lỗ rỗng chứa nước
trong bê tông. Hình 3.16 thể hiện ảnh hưởng của quá trình hình thành các sản phẩm
BÀI GIẢNG CHỐNG XÂM THỰC BTCT

29


GVHD: TS.TRẦN VĂN MIỀN

hydrat đến sự thay đổi của độ rỗng, độ thấm và các tính chất khác của đá xi măng.
Sự thay đổi độ rỗng và kích thước lỗ rỗng trong đá xi măng liên quan đến thời gian
đóng rắn và tỉ lệ N/X. Sự phụ thuộc của độ rỗng trong đá xi măng theo thời gian
đóng rắn sử dụng tỉ lệ N/X cao (N/X=0,8) được thể hiện ở hình 3.17. Có thể thấy
rằng, khi thúc đẩy quá trình hydrat hóa của xi măng thì các đường cong của biểu đồ
chuyển sang vùng có kích thước lỗ rỗng nhỏ hơn.
b)

a)

Hàm lượng tương đối

C-S-H
Ca(OH)2
Monosulphate
Ettringite

Độ rỗng
Độ thấm

Cường độ

Thúc đẩy ninh kết
Kết thúc ninh kết
0

5

30 1 2

phút

giờ

6

1

2

7

Ngày

28

Tăng cường độ

90

Qúa trình hydrat hoá

Hình 3.16: Ảnh hưởng của quá trình hình thành các hydrat đến sự thay đổi độ
rỗng trong đá xi măng

Tổng thể tích lỗ rỗng, %

N/X=0,8

0

0.01

0.1

1

10

100

Đường kính tương ứng của lỗ rỗng, um

Hình 3.17: Sự phụ thuộc của độ rỗng trong đá xi măng theo thời gian,
N/X=0,8
3.3.5. nh hưởng của cacbonat hóa
Hiện tượng cacbonat hóa làm giảm độ rỗng tổng cộng trong bê tông, đường kính
trung bình của lỗ rỗng giảm trong vùng có xảy ra cacbonat hóa. Các phần thể tích
tương đối của lỗ rỗng với những kích thước khác nhau sẽ thay đổi khi có sự tác
dụng của khí CO2. Thể tích của loại lỗ rỗng có lớn hơn 5nm tăng lên, trong khi thể
tích của lỗ rỗng có kích thước từ 0.04 đến 5nm giảm xuống. Hình 3.18 thể hiện ảnh
hưởng của cacbonat hóa đến sự phân bố của lỗ rỗng theo kích thước. Trong trường
hợp xi măng có chứa tro bay, dưới tác dụng của cacbonat hóa, độ rỗng của đá xi
BÀI GIẢNG CHỐNG XÂM THỰC BTCT

30


GVHD: TS.TRẦN VĂN MIỀN

măng cũng giảm. Ảnh hưởng của quá trình cacbonat hóa đến độ rỗng trong bê tông
cũng tuỳ thuộc vào mức độ cacbonat hoá (mức độ cacbonat hóa chòu ảnh hưởng của
độ ẩm và môi trường không khí). Ví dụ, đá xi măng với N/CKD = 0,5 có độ rỗng
thấp khi độ ẩm tương đối là 60%, trong khi đó, đá xi măng với N/CKD=0,7 chỉ có
độ rỗng thấp khi độ ẩm tương đối là 90%. Cácbonat hoá không ảnh hưởng đến thể
tích của lỗ rỗng có kích thước lớn hơn 10nm.
Hồ xi măng loại A

0.9

Chưa Cacbonat hoá
Đã Cacbonat hoá

0.6

0.3

0

1

10

100

1000

10000 100000
Đường kính lỗ rỗng, nm

0.9

Vữa loại E
Chưa Cacbonat hoá
Đã Cacbonat hoá

0.6

0.3

0

1

10

100

1000

10000 100000

Đường kính lỗ rỗng, nm

Hình 3.18: Ảnh hưởng của Cácbonat hoá đến lỗ rỗng trong đá xi măng

3.3.6. nh hưởng của phụ gia
Phụ gia hoá học có thể ảnh hưởng đáng kể đến cấu trúc lỗ rỗng của đá xi măng và
bê tông (hình 3.19). Khi thêm NaCl, MgCl 2 với hàm lượng 2% khối lượng xi măng,
độ rỗng của đá xi măng giảm đồng thời kích thước lỗ rỗng giảm. MgCl 2 ảnh hưởng
đến hầu hết sự thay đổi của độ rỗng trong bê tông. Độ rỗng giảm dẫn đến giảm
tính thấm của đá xi măng có sử dụng phụ gia hóa học gốc clo.
Sử dụng phụ gia siêu dẻo cũng góp phần hình thành cấu trúc lỗ rỗng thích hợp
trong bê tông. Cả thể tích và kích thước của lỗ rỗng đều giảm khi bê tông sử dụng
phụ gia siêu dẻo Napthalene sunfuanat (hình 3.21). Sử dụng phụ gia cuốn khí, phần
thể tích của lỗ rỗng có bán kính nhỏ tăng lên và thể tích của lỗ rỗng có bán kính
nhỏ giảm. Bên cạnh đó, lỗ rỗng mao quản trong bê tông cũng giảm khi sử dụng
phụ gia fluosilicat. Silic, đá vôi và những phụ gia khác dùng trong công nghệ bê
tông với mục đích chủ yếu là kinh tế, kỹ thuật hoặc sinh thái cũng có ảnh hưởng
BÀI GIẢNG CHỐNG XÂM THỰC BTCT

31


GVHD: TS.TRẦN VĂN MIỀN

đến cấu trúc lỗ rỗng trong bê tông. Giống nhữ những loại phụ gia khác, xỉ lò cao
ảnh hưởng đáng kể đến những tính chất truyền khối (độ thấm) của đá xi măng, ảnh
hưởng này trở nên mạnh mẽ hơn khi sử dụng xỉ lò cao trong bê tông với hàm lượng
cao. Đá xi măng sử dụng 70% xỉ có độ rỗng cao hơn so với đá xi măng sử dụng
30% xỉ (hình 3.22). Tuy nhiên, đá xi măng sử 70% xỉ có độ thấm thấp hơn nhiều so
với đá xi măng sử dụng 30% xỉ, nguyên nhân có thể là do trong cấu trúc của đá xi
măng với hàm lượng 70% xỉ có thể tích tương đối lớn của loại lỗ rỗng kích thước từ
4.5 đến 15nm, loại lỗ rỗng này có độ thấm thấp.

3

0.05
2
1
0
0.15

0.1
4

0.05
6

5

0
1

2

3

4

5

lgr

Hình 3.19: Ảnh hưởng của phụ gia hoá học đến độ rỗng trong đá xi măng
và BT
1-không phụ gia, N/X=0,25; 2-không phụ gia, N/X=0,4; 3-3% Na2SO4,

N/X=0,4; 4-0,2% SDB, N/X=0,4; 5-0,1% GKZh94, N/X=0,4; 6-3% phụ gia
hỗn hợp, N/X-0,4
BÀI GIẢNG CHỐNG XÂM THỰC BTCT

32


GVHD: TS.TRẦN VĂN MIỀN

Ngày

1500
1250
800
600
500
400
300
200
150
100
70
45

1500
1250
800
600
500

400
300
200
150
100
70
45

Thể tích, cm3/g

Năm

-10

-10

Đường kính lỗ rỗng, 10 m

Đường kính lỗ rỗng, 10 m

Hình 3.20: Ảnh hưởng của phụ gia hoá học đối với sự phân bố kích thước lỗ
rỗng trong đá xi măng
•-mẫu đối chứng; ∆-2%NaCl; -2%CaCl2; O-2%MgCl2

Thể tích rỗng, mm³/g

50

40

Không có phụ gia siêu dẻo

3
Có phụ gia siêu dẻo

28

30

3

20

28

10

0

0,1

0,03

0,01

0,001

Đường kính lỗ rỗng,um

Hình 3.21: Ảnh hưởng của phụ gia siêu dẻo đối với độ rỗng của đá xi măng

Khác với tro bay, khi thêm xỉ lò cao với hàm lượng lên đến 40% thì tổng thể tích lỗ
rỗng giảm, và phần lỗ rỗng có kích thước 5nm tăng lên. Tăng lượng xỉ lên 70%,
BÀI GIẢNG CHỐNG XÂM THỰC BTCT

33


GVHD: TS.TRẦN VĂN MIỀN

tổng thể tích lỗ rỗng tăng lên, đồng thời, thể tích của lỗ rỗng có kích thước nhỏ hơn
5nm cũng tăng. Thể tích lỗ rỗng gel (kích thước lớn nhất 2nm) tăng theo tỉ lệ thuận
với hàm lượng xỉ thêm vào. Điều này là do hàm lượng khoáng C-S-H trong cấu
trúc của đá xi măng (sản phẩm sinh ra do sự tác động qua lại giữa xi măng và xỉ)
tăng lên khi lượng xỉ thêm vào tăng. Độ rỗng toàn phần của đá xi măng giảm khi
thêm tro vào trong xi măng. Điều này chứng tỏ có sự tạo thành cấu trúc đặc sít
trong bê tông. Khi thêm đến 40% tro nguyên chất vào trong xi măng, độ rỗng toàn
phần và phần thể tích lỗ rỗng có kích thước từ 5 đến 50nm tăng lên. Khác với loại
tro này, tro chứa canxi sử dụng với hàm lượng 20% có tác dụng làm giảm độ rỗng
tổng cộng trong bê tông, tăng thể tích của loại lỗ rỗng có kích thước nhỏ hơn 5nm
và lớn hơn 100nm.
0.05

0.05

0.05

Thể tích, cm³/g

0.05

0.15

0.05

0.15

0.1

0.1

-10

Đường kính lỗ rỗng, 10 m
-10

Hình 3.22: Ảnh hưởng của xỉ lò cao đối với độ rỗng của đá xi măng
a) 28 ngày; b) 1 năm; O-70% xỉ lò cao; ∆-30% xỉ lò cao
Thể tích của lỗ rỗng gel (lỗ rỗng có kích thước cao nhất 2nm) giảm khi tăng hàm
lượng tro nguyên chất, nguyên dân là do sự hình thành khoáng C-S-H có cấu trúc
đặc sít khi xi măng phản ứng với tro. Với xi măng có chứa tro, ở tuổi 28 ngày, trong
cấu trúc lỗ rỗng của đá xi măng có nhiều lỗ rỗng với kích thước lớn. Sau một năm
rắn chắc, trạng thái này thay đổi hoàn toàn, ví dụ như, như đá xi măng chứa tro có
độ rỗng rất thấp và trong cấu trúc xuất hiện những lỗ rỗng có kích thước nhỏ hơn so
với xi măng không dùng phụ gia, điều này tạo ra ảnh hưởng có lợi cho độ thấm của
đá xi măng. Bụi silica (silica hạt mòn) sử dụng với hàm lượng 10% làm tăng độ
rỗng toàn phần và tăng thể tích lỗ rỗng có kích thước nhỏ 5nm. Đối với lỗ rỗng gel,
thêm 10% bụi silica tạo sự thay đổi cấu trúc lỗ rỗng gần giống như trong trường
hợp sử dụng xỉ lò cao. Sử dụng bụi silica với hàm lượng lên đến 10%, kích thước
lớn nhất của lỗ rỗng trong đá xi măng giảm. Sau 28 ngày, số lượng lỗ rỗng có bán
kính lớn hơn 50nm không đáng kể. Tro trấu chứa SiO 2 vô đònh hình và có tỉ diện

BÀI GIẢNG CHỐNG XÂM THỰC BTCT

34

45

70

100

150

200

400

600

500

800

1000

1250

45

70

100

150

200

400

600

500

800

1000

1250

Đường kính lỗ rỗng, 10 m

1500

0.05

0.05

1500

Thể tích, cm³/g

0.05


GVHD: TS.TRẦN VĂN MIỀN

tích bề mặt cao (55m2/g) có tác dụng kích hoạt phản ứng pozzolana làm tăng độ
hoạt tính và cải tiến cấu trúc pha của đá xi măng. Đá xi măng sử dụng phụ gia
khoáng với hàm lượng cao, độ rỗng cũng như kích thước lỗ rỗng tăng tuỳ thuộc vào
lượng phụ gia khoáng đưa vào xi măng, điển hình là thể tích lỗ rỗng có kích thước
4.5nm tăng lên. Sau 90 ngày và 1 năm đóng rắn, lỗ rỗng có kích thước lớn hơn
100nm biến mất hoàn toàn, điều này tạo ảnh hưởng có lợi cho đặc tính thấm của bê
tông. Phụ gia khoáng cacbonat làm tăng độ rỗng và làm đồng nhất kích thước lỗ
rỗng.
3.3.7. nh hưởng của nước trong lỗ rỗng của đá xi măng đến đặc tính cấu trúc của
đá xi măng
Hầu hết các tính chất của đá xi măng phù thuộc rất nhiều vào sự tác động qua lại
giữa đá xi măng và nước. Có nhiều quan điểm trái ngược về phản ứng của các hạt
gel với phân tử nước, và sự hiểu biết về phản ứng này vẫn chưa rõ ràng. Có nhiều
mô hình mô tả cấu trúc vi mô và sự tác động qua lại giữa cấu trúc vi mô của đá xi
măng với nước. Những mô hình có sự khác nhau chủ yếu là do quan điểm khác
nhau khi phân loại nước trong đá xi măng đóng rắn, trạng thái của nước nằm giữa
các lớp (nước Zeolit) và ảnh hưởng của các lớp nước đối với những tính chất của đá
xi măng. Sự phân loại nước khác nhau không chỉ liên quan đến việc đònh nghóa và
thuật ngữ mà còn phản ánh đònh lượng một số tính chất của đá xi măng. Các dạng
xác đònh của nước nằm trong những khoảng rỗng trong đá xi măng phụ thuộc vào
độ ẩm tương đối trong những khoảng rỗng này. Trạng thái của nước cũng phụ thuộc
vào kích thước của lỗ rỗng chứa nước. Ví dụ, nước nằm trong lỗ rỗng giữa các lớp
sản phẩm hydrat hóa của xi măng (loại lỗ rỗng chủ yếu nằm giữa các lớp C-S-H,
kích thước từ 0.5 đến 3nm) liên kết rất chặt và không thể thoát ra khi làm khô đá xi
măng. Đối với trường hợp lỗ rỗng có kích thước 1000nm hoặc trên 1000nm, nước

tồn tại trong lỗ rỗng này ở trạng thái bình thường và có thể thoát ra ngoài dễ dàng
khi làm khô đá xi măng. Lỗ rỗng mao quản có kích thước lớn hơn 1000nm chứa
nước ở trạng thái bình thường, nước lấp đầy những lỗ rỗng này xi măng tiếp xúc
trực tiếp với nước.
Nước đọng trong ống mao quản với bán kính lớn hơn 10nm có hoá thế thấp bởi vì
có sự tác động qua lại giữa nước và bề mặt rắn. Loại nước này tạo thành từ quá
trình ngưng tụ mao dẫn khi có áp suất cao của hơi nước, ví dụ khi độ ẩm tương đối
đạt 90 đến 100%. Trong lỗ rỗng mao quản có kích thước nhỏ hơn (từ 3 đến 10nm),
nước ngưng tụ được điều chỉnh tốt hơn so với ở trạng thái tự do. Nước ngưng tụ lấp
đầy lỗ rỗng có kích thước như trên khi độ ẩm tương đối trong không khí đạt 6090%. Nước hấp thụ trong các lớp nhỏ hơn 2,5 lần chiều dày của lớp đơn, và chòu
ảnh hưởng mạnh mẽ của bề mặt lớp đến nổi loại nước này không đóng băng ngay
cả khi nhiệt độ giảm xuống đến -1600C.
Màng nước hấp thụ liên kết chặt chẽ với bề mặt của lớp sản phẩm hydrat hóa,
nhưng phân tử nước bên trong lớp này có độ lưu động rất cao. Do đó, những phân
tử nước này đôi khi được xem là khí Van der Wan hai chiều. Nên xem xét môi
trường bên ngoài khi đánh giá các đặc tính của cấu trúc lỗ rỗng trong đá xi măng.
BÀI GIẢNG CHỐNG XÂM THỰC BTCT

35


GVHD: TS.TRẦN VĂN MIỀN

Cấu trúc lỗ rỗng của đá xi măng phụ thuộc không những vào các quá trình nội tại
bên trong đá xi măng mà còn phụ thuộc vào nhiệt độ và độ ẩm của môi trường bên
ngoài.

3.4. Những đặc tính của cấu trúc lỗ rỗng
Cấu trúc lỗ rỗng ảnh hưởng đến những tính chất khác nhau của bê tông, chủ
yếu là độ bền. Thành phần bên ngoài môi trường thẩm thấu sâu vào bề mặt bên

trong của lỗ rỗng. Rõ ràng là, lỗ rỗng có kích thước khác nhau sẽ góp phần khác
nhau trong quá trình truyền khối này. Từ quan điểm ảnh hưởng đến độ bền của bê
tông, để miêu tả đặc tính của lỗ rỗng người ta sử dụng những thông số chính như độ
rỗng tổng cộng, hơn nữa, độ rỗng có thể phân biệt là kín hay hở tuỳ thuộc vào mức
độ tiếp xúc bề mặt bên trong hay bên ngoài của lỗ rỗng. Lỗ rỗng cũng có thể được
phân loại dựa theo kích thước.
Những tính chất chủ yếu của hệ lỗ rỗng đề cập trên có cơ sở hình học. Cũng
có một tính chất nữa, ví dụ như loại lỗ rỗng, rất khó xác đònh đònh lượng loại lỗ
rỗng do vấn đề nhận biết lỗ rỗng và loại lỗ rỗng rất phức tạp (bảng 3.5). Những
phương pháp dùng để mô tả lỗ rỗng có thể được phân loại dựa trên các nguyên lý.
Hình 3.23 thể hiện lónh vực áp dụng và các phương pháp có thể sử dụng để xác
đònh kích thước của một số loại lỗ rỗng chính trong đá xi măng, cũng như để xác
đònh kích thước của những thành phần trong bê tông. Dựa vào những quan điểm về
cấu trúc lỗ rỗng của bê tông và sự phụ thuộc của cấu trúc bê tông vào những thông
số kỹ thuật khác nhau như: thành phần của bê tông; tính chất của vật liệu và phụ
gia hoá học; điều kiện lèn chặt và đóng rắn, chúng ta có đề ra những phương pháp
bảo vệ chính để bảo vệ cho bê tông làm trong môi trường xâm thực. Cấu trúc lỗ
rỗng nhỏ và cấu trúc khó thấm của bê tông tượng trưng cho độ bền của bê tông
trong môi trường xâm thực.

10

-8

-9

10

Bọt khí

Kính hiển vi

Phương pháp quan sát
được

Lỗ lớn

BÀI GIẢ
NG CHỐNG XÂM THỰC BTCT
-10

Các phương pháp dán tiếp

10

-7

Kính hiển vi điện tử

10

-6

Các lỗ rỗng mao dẫn

10

-5

Lỗ rỗng gel

10

-4

Xi măng

10

-3

Cát

10

-2

Cao su

10

Phương pháp nghiên cứu

-1

Gel xi măng
(hydrat)

10

Lỗ rỗng

Hạt

m

Hình 3.23: Tỉ lệ kích thước các hạt và lỗ rỗng, và các phương pháp nghiên cứu

36


GVHD: TS.TRẦN VĂN MIỀN

Bảng 3.5 Các đặc tính của cấu trúc lỗ rỗng
Loại
phương
pháp

Nguyên
lý của
phương
pháp

Phương
pháp

Độ
rỗng
tổng
cộng

Trực tiếp

Hình học

Phân
tích bề
mặt pha
bao phủ

X

Phân
tích
tuyến
tính

X

Độ
rỗng
hình
thành
bởi các
lỗ rỗng
hở một
mặt

Độ
rỗng

hở

Rỗng
xuyên
suốt

Thể
tích
của
lỗ
rỗng
vi mô

Tỉ
diện
tích
bề
mặt

Kích
thước
trung
bình
của lỗ
rỗng

Độ
rỗng
chênh
lệch

Loại
lỗ
rỗng

X

X

X

X

X

X

Phân
tích từng
phần
Phương
pháp tiết
diện
Chiếm
chỗ lưu
chất

Phương
pháp cân
trong

nước

X

X

Tỷ trọng
kế

X

X

Tỷ trọng
khí
Gián
tiếp

Dòng lưu
chất

Dòng khí
di
chuyển
Dòng khí
cố đònh

Độ cong
liên pha
của bề

mặt

Hấp thụ

X
X

X

X

X

a)

Đo độ
rỗng
bằng áp
suất

b)

X

Ngưng tụ
mao dẫn

b)

X

Nhiệt độ
làm
chậm
đóng rắn

b)

X

Hấp thụ
khí hoặc
hơi

BÀI GIẢNG CHỐNG XÂM THỰC BTCT

X

X

c)

37


GVHD: TS.TRẦN VĂN MIỀN
Hấp thụ
lưu chất

X

d)

Phân
tích kích
cỡ phân
tử
Sấy
Loại khác

X

Dẫn
điện
Làm yếu
bức xạ

X

e)

X
X

Nhiễu
xạ
Động
học ẩm

a)
b)

c)
d)
e)

c)

X

X
X

kích thước của những lỗ rỗng hình trụ có cùng độ thấm
tính toán cho tổng số lỗ rỗng
tính toán cho kích thước bề mặt và thể tích nếu biết được độ rỗng
phân chia theo kích thước của lỗ rỗng vi mô
phương pháp dựa trên cơ sở động học ẩm.

BÀI GIẢNG CHỐNG XÂM THỰC BTCT

38