Đang tải... (xem toàn văn)
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
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) Hỡnh 6 cho thy cú s xut hin bruxit (Mg(OH) 2 ) v thch cao CaSO 4 trờn b mt. S hỡnh thnh M-S-H b gii hn thm chớ sau mt thi k ngõm lõu di, úng trờn b mt ú lp bruxit b nt. Th hai, thch cao cng phỏt hin gn M-S-H kt ta. Hỡnh 7 cho thy C-S-H b thay th hon ton thnh M-S-H v cú s kt ta thch cao trong mu va. iu ú lm cho mu va b xõm thc v h hi mnh Nhn xột: Nhng nghiờn cu gn õy v xõm thc ca dung dch MgSO 4 cho thy bờ tụng b xõm thc nhanh v sm hn so vi Na 2 SO 4 , hp cht bruxit (Mg(OH) 2 ) v thch cao hỡnh thnh trờn b mt di dng lp. Hm lng canxi trong gel C-S-H b mt khụng rừ rng nh trng hp dung dch Na 2 SO 4 do cn phi cú OH - kt ta Mg(OH) 2 . Lng Ca 2+ tng ng b tỏch ra, phn ng vi sunfat thnh thch cao. Trong vựng sunfat, s hydrat ca clinke tng lờn do ion OH - b tỏch ra. C-S-H b phỏ hu nhiu v cú s to thnh magiờ silicat hydrat (M-S-H). Sn phm sinh ra cú th tớch ln hn nhiu ln so vi hp cht ban u, gõy trng n v nt bờ tụng. Mụ hỡnh gión n cu trỳc vi mụ ca mu va Mu va cú kớch thc hỡnh ch nht dựng o gión n, chỳng t l vi thi gian. Trong va v bờ tụng ó gin n, ettringite bao bc xung quanh ht ct liu vi chiu dy 10àm. i vi mu cú chiu dy mng thỡ mu gión n nhanh hn v nú bt u t bờn ngoi b mt v tin vo bờn trong. S gión n cú th xy ra chm hay ng thi vi s hỡnh thnh ettringite . Hai c ch v s gión n: do kt tinh ettringite trờn b mt ct liu v h xi mng gión n to khong trng xung quanh ht ct liu m trong ú ettringite kt tinh tr li. Tuy nhiờn khú xỏc nh mc quỏ bóo ho xy ra trờn b mt ct liu s phỏt trin tinh th gõy ra ng sut ln. Th hai, chiu dy ca ettringite bao quanh ht ct liu t l vi kớch thc ht ct liu, ettringite cú xu hng tỏi kt tinh ti b mt ct liu v ú l nguyờn nhõn gõy gión n trong h xi mng, iu ny xy ra phn ln trong bờ tụng c ch to t xi mng m trong quỏ trỡnh hydrat hoỏ cha nhiu ettringite. Nc Ettringite tỏi kt tinh trong vt nt H xi mng gión n lm tng vt nt Cỏc vt nt vi mụ Hỡnh dng ettringite trong h xi mng Hỡnh 8. C ch gión n trong h xi mng Hỡnh 7 : Th hin vựng phỏ hu mnh ca mu va xi mng ngõm trong dung dch MgSO 4 thi gian 32 tun (a) (b) 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 Na 2 SO 4 và MgSO 4 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 1. 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. 2. H.F.W Taylor, “Sulfate reactions in concrete-microstructural and chemical aspects”, 7 Loirsbank Road, Cults, Aberdeen AB1 9NE Scotland,UK. 3. 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). 4. 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. . 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. 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