Nghiên cứu tăng cường khả năng chống ăn mòn trong môi trường nước biển cho bê tông hạt mịn kết hợp phụ gia placc cr

Tình hình nghiên cứu

1.1.1 Khái niệm bê tông hạt mịn

Bê tông cốt thép, được phát minh và sử dụng từ giữa thế kỷ 19, vẫn là vật liệu chính trong xây dựng, giao thông, thủy lợi và thủy điện Tuy nhiên, nhiều công trình hiện nay đang bị xuống cấp và hư hỏng do tác động của môi trường, làm giảm chất lượng xây dựng Một trong những vấn đề phổ biến là ăn mòn cốt thép, đặc biệt ở các công trình chịu ảnh hưởng của nước biển, dẫn đến hư hỏng kết cấu bê tông cốt thép.

Các công trình giao thông và thủy lợi tại Việt Nam và trên thế giới, đặc biệt là bê tông và bê tông cốt thép, thường gặp tình trạng xuống cấp sau một thời gian sử dụng Những công trình như trụ cầu, dầm cầu, cống thủy lợi và đê biển đang bị ảnh hưởng nặng nề bởi môi trường, dẫn đến hiện tượng xâm thực, ăn mòn bê tông và cốt thép Hậu quả là cấu trúc của các công trình này bị hư hại, gây thiệt hại kinh tế lớn.

Trong môi trường biển với khí hậu nóng ẩm và hàm lượng ion Cl- cao, bê tông cốt thép dễ bị ăn mòn và hư hỏng nhanh chóng, đặc biệt ở khu vực ven biển và nơi có nước lên xuống Tốc độ ăn mòn có thể khiến nhiều công trình, dù đã có tuổi thọ trên 30 năm, bị hư hỏng nặng chỉ sau 20-25 năm sử dụng, thậm chí chỉ sau 10-15 năm Chi phí sửa chữa và khắc phục hư hỏng có thể chiếm từ 30-70% tổng mức đầu tư xây dựng công trình.

Trong những năm tới, Việt Nam sẽ chứng kiến sự phát triển mạnh mẽ của các công trình hiện đại, đặc biệt là những dự án xây dựng dưới biển và trong môi trường biển Để đáp ứng các tiêu chuẩn kỹ thuật nghiêm ngặt, đảm bảo an toàn và kéo dài tuổi thọ cho các công trình này, việc sử dụng các loại bê tông đặc biệt là điều cần thiết.

Sử dụng bê tông chất lượng cao là điều cần thiết cho các công trình thủy lợi và công trình biển, nhằm đảm bảo cường độ và độ bền vững trong môi trường xâm thực.

Bê tông chất lượng cao là một loại bê tông mới với các phẩm chất được cải thiện, phản ánh sự tiến bộ trong công nghệ vật liệu và kết cấu xây dựng Loại bê tông này không chỉ có cường độ chịu nén cao, mà còn tích hợp nhiều tính năng vượt trội, được gọi chung là bê tông chất lượng cao.

Bê tông chất lượng cao được gọi tắc là theo người Anh là HPC (Hinh Perfomace concretes), theo người Pháp là BHP (BETONS A HAUTE PERORMANCES)

Bê tông chất lượng cao (HPC) được sản xuất với N/X gần 0,25 và sử dụng phụ gia siêu mịn như tro nhẹ hoặc muội silic siêu mịn Loại bê tông này có cường độ chịu nén lên đến 80 hoặc 100 MPa, mang lại các đặc tính vật lý và cơ học vượt trội, dẫn đến độ bền cao và tuổi thọ khai thác lên đến 100 năm.

Hình 1 1 Công trình giao thông (nguồn: Internet)

1.1.2 Tình hình nghiên cứu ngoài nước

Từ báo cáo đầu tiên vào năm 1924 tại Hội nghị hàng hải Quốc tế, nhiều nghiên cứu đã được thực hiện về vấn đề ăn mòn bê tông và bê tông cốt thép dưới tác động của môi trường Vẫn còn nhiều tranh luận xung quanh cơ chế phá hủy của các loại bê tông này, đặc biệt là bản chất của sự ăn mòn Điều này xảy ra do có nhiều yếu tố xâm thực tác động theo các cơ chế khác nhau Quá trình ăn mòn diễn ra chậm, khiến cho các kết quả thí nghiệm nhanh thường không phản ánh đúng bản chất phá hủy thực tế Để hiểu rõ hơn về bản chất ăn mòn của bê tông và bê tông cốt thép, các nghiên cứu đã khảo sát nhiều công trình thực tế bị hư hỏng.

Theo Odd E.Gjorv trong tài liệu [3], nhiều khảo sát về chất lượng công trình biển ở Na Uy cho thấy nguyên nhân chính gây hư hỏng là do rỉ cốt thép Tuy nhiên, nhiều kết cấu vẫn duy trì tình trạng tốt sau 70 đến 80 năm sử dụng nếu được thiết kế hợp lý và thi công chính xác.

Năm 1980, tại hội nghị khoa học đầu tiên về độ bền lâu của công trình biển ở New Brunswick, K Mehta đã trình bày kết quả khảo sát thực tế trên nhiều công trình có tuổi thọ từ 60 đến 100 năm trong môi trường biển Kết quả cho thấy hư hỏng chủ yếu do ăn mòn cốt thép, đặc biệt là ở vùng nước lên xuống, và bê tông cũng bị ảnh hưởng với hiện tượng mềm hóa.

Hình 1 2 Công trình cầu cảng (nguồn: Internet)

Khi hàm lượng xi măng thấp, bê tông có thể gặp hiện tượng nứt bề mặt, chủ yếu do phản ứng kiềm-silic hoặc các nguyên nhân khác Trong các công trình bê tông lâu năm ở biển, một số sản phẩm ăn mòn như aragonite, brucite, ettringite và magnesium silicate hydrate đã được xác định Tuy nhiên, nhiều công trình vẫn duy trì chất lượng cao sau 70 năm sử dụng, mặc dù được chế tạo từ xi măng poóclăng với hàm lượng C3A lên tới 14,9%.

Tại hội nghị khoa học về công trình biển lần thứ 2 vào năm 1988, K Mehta đã trình bày thêm nhiều dẫn chứng về sự ăn mòn của bê tông và bê tông cốt thép trong môi trường biển, cho thấy bản chất của hiện tượng này không có gì khác biệt so với các lần nghiên cứu trước đó.

Nghiên cứu về độ bền của bê tông và bê tông cốt thép tại Nga đã thu hút sự quan tâm của nhiều nhà khoa học V.M Moskvin nhấn mạnh công trình của Vica, nghiên cứu nguyên nhân hóa học gây phá hủy và biện pháp nâng cao khả năng chống ăn mòn của chất kết dính rắn trong nước, là nghiên cứu đầu tiên về ăn mòn Vào đầu thế kỷ XX, các kỹ sư như A.R Shuliachenko và V.I Charnomski đã khảo sát các công trình bê tông tại hải cảng châu Âu và Nga, kết luận rằng bê tông cốt thép chế tạo bằng xi măng poóclăng không bền vững trong môi trường biển, với tuổi thọ chỉ từ 20 đến 30 năm Nghiên cứu về ứng dụng bê tông trong công nghiệp cũng được thực hiện, đặc biệt là công trình của A.A Bajkov, người đã phân tích nguyên nhân gây ăn mòn và biện pháp chống ăn mòn thực tiễn Kavatosi đã giới thiệu phụ gia tổng hợp siêu dẻo (Furylacol - Ca(NO3)2) để chế tạo vữa bền trong môi trường xâm thực muối, trong khi G.Bachacốp cũng đã công bố các phát hiện quan trọng liên quan đến vấn đề này.

5 sử dụng dầu nhựa thông với hàm lƣợng 0,15% để chế tạo vữa và bê tông có khả năng chống ăn mòn cao

Các nghiên cứu đều thống nhất rằng nguyên nhân gây ăn mòn là do sản phẩm thủy hóa của xi măng tan vào môi trường hoặc phản ứng với muối, axit, tạo ra hợp chất tan mạnh hoặc nở thể tích, làm hỏng cấu trúc nội bộ công trình Hiệu quả của các biện pháp chống ăn mòn như sử dụng phụ gia vô cơ hoạt tính và xi măng đặc biệt đã được đánh giá Tuy nhiên, vẫn còn nhiều tranh cãi về nguyên nhân gây ăn mòn và giới hạn độ bền của kết cấu bê tông và bê tông cốt thép trong các môi trường này.

Hình 1 3 Hình ảnh hƣ hại do quá trình ăn mòn ở USA (nguồn: Internet)

Hình 1 4 Hình ảnh hƣ hại do quá trình ăn mòn ở Nhật Bản (nguồn: Internet)

1.1.3 Tình hình nghiên cứu trong nước

Nhiều công trình xây dựng bằng bê tông và bê tông cốt thép tại Việt Nam đã bị ăn mòn và hư hại sau một thời gian sử dụng trong môi trường có tính chất ăn mòn Điều này yêu cầu cần có các biện pháp phòng ngừa hiệu quả để hạn chế sự ăn mòn của các kết cấu này Để giải quyết vấn đề này, Nhà nước đã ban hành tiêu chuẩn TCVN 3993:85 nhằm hướng dẫn các biện pháp chống ăn mòn trong xây dựng.

Vị trí nghiên cứu

Đề tài “Nghiên cứu tăng cường khả năng chống ăn mòn trong môi trường nước biển cho bê tông hạt mịn kết hợp phụ gia PLACC-CR” tiếp nối

10 các công trình nghiên cứu về công nghệ bê tông hạt mịn dùng cho các công trình biển

Nghiên cứu cơ chế ăn mòn của bê tông hạt mịn dưới tác động của môi trường biển Đánh giá thực tế ứng dụng vào trong công trình biển.

Nhiệm vụ của đề tài

Xác định thành phần cấp phối và các đặc trƣng cơ lý bê tông hạt mịn kết hợp phụ gia chống ăn mòn PLACC-CR

Xác định sự thay đổi cường độ chịu nén, hao hụt khối lượng mẫu của bê tông hạt mịn kết hợp phụ gia PLACC-CR và mẫu so sánh.

Phương pháp thí nghiệm

Nghiên cứu này tập trung vào việc tăng cường khả năng chống ăn mòn của bê tông hạt mịn thông qua lý thuyết kết hợp với thực nghiệm Sau đó, các thí nghiệm thực tế được tiến hành để so sánh và đánh giá kết quả thu được, nhằm xác định hiệu quả của các phương pháp cải tiến.

Công nghệ bê tông hạt mịn

Bê tông chất lượng bê tông cao (HPC) là loại bê tông mới với cường độ nén đạt trên 60 MPa sau 28 ngày Thành phần của bê tông HPC được cải tiến nhờ việc sử dụng các sản phẩm đặc biệt như chất siêu dẻo, muội silic và các khoáng siêu mịn khác như tro bay, xỉ lò cao, tro trấu và Mêta cao lanh.

Hình 2 1 Công trình xây dựng hiện đại (nguồn: Internet)

Tro bay là sản phẩm hạt mịn thu được từ quá trình đốt than khô dạng bột trong các thiết bị năng lượng hiện đại Khi than được đưa vào vùng nhiệt độ cao, các thành phần trong than sẽ nóng chảy, sau đó chuyển sang vùng nhiệt độ thấp hơn và đông đặc thành các hạt hình cầu Một số khoáng chất cũng tích tụ thành tro và lắng đọng dưới đáy.

Hạt thải phẩm từ quá trình thoát khí được thu gom qua thiết bị lọc bụi tĩnh điện, có hình dạng cầu và kích thước biến đổi từ 1-100 µm, chủ yếu nhỏ hơn 20 µm Những hạt này được sử dụng để chế tạo bê tông cường độ cao.

Tro bay là một loại Puzzolan nhân tạo, chủ yếu gồm các oxit silic (SiO2), oxit nhôm (Al2O3), oxit sắt (Fe2O3), canxi oxit (CaO) và magie oxit (MgO) Độ mịn của tro bay ảnh hưởng đến khả năng phản ứng của nó, với đường kính hạt chủ yếu từ 1μm đến 20μm và hàm lượng than chưa cháy (MKN) không vượt quá 5% khối lượng Tro bay được sản xuất từ quá trình đốt than trong lò hơi tại nhà máy nhiệt điện, sau đó các hạt bụi được thu hồi qua các ống khói bằng phương pháp kết sương tĩnh điện hoặc thiết bị thu hồi chuyên dụng.

Tro bay chủ yếu là các hợp chất silicat, bao gồm nhiều oxit kim loại như SiO2, Al2O3, Fe2O3, TiO2, MgO và CaO Hàm lượng than chưa cháy trong tro bay chỉ chiếm một phần nhỏ, bên cạnh đó còn có sự hiện diện của một số kim loại nặng như Cd, Ba, Pb, Cu và Zn Thành phần hóa học của tro bay phụ thuộc vào nguồn nguyên liệu than đá được sử dụng và điều kiện đốt cháy trong các nhà máy nhiệt điện.

Phần lớn các hạt tro bay có bề mặt tương đối nhẵn, trơn trượt nên tro bay tương đối trơ về mặt hóa học

Hạt tro bay thường có hình dạng cầu với kích thước đa dạng, trong đó hạt lớn thường có dạng bọc và hình dạng khác nhau Chúng được phân loại thành hai dạng chính: hạt đặc và hạt rỗng Hạt tro bay hình cầu rắn được gọi là hạt đặc, trong khi hạt hình cầu có bên trong rỗng và tỷ trọng dưới 1,0 g/cm³ được gọi là hạt rỗng Các dạng phổ biến của tro bay thường chứa các hợp chất tinh thể như thạch anh, mulit và hematit, cùng với các hợp chất thủy tinh như oxit silic và các oxit khác.

Hạt tro bay đặc với khối lượng riêng từ 2,0 - 2,5 g/cm³ có khả năng cải thiện độ cứng và độ bền xé của vật liệu nền Trong khi đó, hạt tro bay rỗng có thể được ứng dụng trong việc tổng hợp vật liệu bê tông.

Các hạt siêu nhẹ có khối lượng riêng rất nhỏ, chỉ khoảng 0,4-0,7 g/cm³, trong khi các chất nền kim loại khác có khối lượng riêng từ 1,6-11,0 g/cm³ Thêm vào đó, cả hai loại hạt này thường có lớp vỏ không hoàn chỉnh, bị rỗ.

Oxit silic tương tác với đá vôi trong quá trình hydrat hóa xi măng, tạo ra hợp chất kết dính bền vững gọi là CSH (canxi oxit silic hydrat) Cơ chế hoạt động của khoáng siêu mịn trong sự kết hợp giữa xi măng và nước đóng vai trò quan trọng trong việc cải thiện tính chất của vật liệu xây dựng.

Hai loại phản ứng hóa học là hydraulic và puzolan:

XM+H2O  CSH + CH (không bền H20)

Cơ chế lấp đầy lỗ rỗng của hạt xi măng và độ rỗng trong gel đá xi măng được thể hiện qua kích thước hạt của phụ gia khoáng siêu mịn Việc sử dụng phụ gia này giúp cải thiện tính chất vật liệu, tăng cường độ bền và giảm thiểu sự thấm nước trong bê tông Kích thước hạt phù hợp sẽ tối ưu hóa quá trình lấp đầy, từ đó nâng cao hiệu quả sử dụng vật liệu trong xây dựng.

Hình 2 2 Quá trình hình thành thể C-S-H (nguồn: Internet)

Theo tiêu chuẩn ASTM 618, tro bay được phân loại thành hai loại chính: loại F và loại C Tro bay loại F có hàm lượng CaO dưới 6% và chứa hơn 2% carbon chưa cháy, có tính chất puzzolan nhưng không có khả năng tự đóng rắn Ngược lại, tro bay loại C có hàm lượng CaO trên 15% và ít hơn 1% carbon chưa cháy, vừa có tính chất puzzolan vừa có khả năng tự đóng rắn tương tự như xi măng.

Tính chất hóa học của tro bay phụ thuộc vào thành phần của than đốt (than non, bitaum hoặc than đá thông thường) Tuy nhiên, không phải tất cả

Có 14 loại tro bay đáp ứng tiêu chuẩn ASTM 618, nhưng sự phân bố kích thước hạt và thành phần hóa của chúng thường xuyên biến đổi do hiệu suất hoạt động của nhà máy than và lò hơi Do đó, các nhà máy nhiệt điện đốt than thường có các cơ sở xử lý tro bay để đảm bảo hàm lượng các thành phần hóa học phù hợp với tiêu chuẩn ASTM 618.

Tro bay được thu gom từ các nhà máy nhiệt điện và cơ sở đốt than đá, cần được bảo quản cẩn thận để duy trì chất lượng và các chỉ tiêu đặc trưng Việc tránh tiếp xúc với ánh nắng mặt trời và môi trường ẩm ướt là rất quan trọng, vì điều này có thể làm hỏng và thay đổi tính chất của tro bay Để thuận tiện cho việc sử dụng trong quá trình trộn vữa gạch, tro bay trong các bao tải lớn sẽ được chia nhỏ và lưu trữ trong các bao ni-lông nhỏ, sau đó cất giữ ngăn nắp trong thùng.

Bảng 2.1: Thành phần vật lý của tro bay

Thành phần vật lý thí nghiệm

Hàm lƣợng lọt sàng 0.05 mm (%)

Chỉ số hoạt tính cường độ sau 28 ngày (%)

Chỉ số hoạt tính cường độ sau 7 ngày (%)

Lƣợng mất sau khi nung (g) Tiêu chuẩn áp dụng

Bảng 2.2:Thành phần hóa học của tro bay

Với sự tiến bộ của khoa học công nghệ, tro bay hiện đang được áp dụng phổ biến trong nhiều ngành công nghiệp, đặc biệt là trong lĩnh vực vật liệu xây dựng.

- Ứng dụng tro bay làm phụ gia trong sản xuất bê tông đầm lăn

Sử dụng tro bay làm phụ gia bê tông có thể tăng độ bền của bê tông từ 1,5 đến 2 lần và cải thiện độ nhớt của vữa, giúp bê tông dễ dàng thẩm thấu vào các khe lỗ Tro bay còn giúp loại bỏ khoảng 6% vôi tự do CaO trong xi măng, thành phần gây "nổ" và làm giảm chất lượng bê tông trong môi trường nước Bên cạnh đó, việc sử dụng tro bay không chỉ tăng độ bền và kéo dài tuổi thọ công trình mà còn có thể giảm chi phí sản xuất bê tông lên đến 30% và giảm 10% lượng nước cần thiết trong quá trình trộn.

- Ứng dụng trong ngành sản xuất xi măng

Cơ sở lý thuyết ăn mòn trong bê tông trong môi trường nước biển

2.2.1 Điều kiện môi trường biển

Môi trường biển chủ yếu bao gồm môi trường biển và môi trường không khí trên biển Môi trường biển bao gồm các đặc trương sau đây:

Không khí biển bao gồm khí quyển mặt biển và ảnh hưởng của nó lên đất liền, với các yếu tố xâm thực như Cl-, CO2, NO3, NH3, SO3, HCl, H2S, HF Nghiên cứu cho thấy Cl- là nguyên nhân chính gây hại cho các công trình bê tông cốt thép và thép do không khí biển Nồng độ các chất trong không khí biển thay đổi tùy thuộc vào vị trí và điều kiện khí hậu như nhiệt độ, độ ẩm và tốc độ gió Theo tác giả Nhật Bản, khí hậu biển tại Okinawa có thể được chia thành ba vùng khác nhau.

+ Vùng 1: từ mép nước tới 250 m có hàm lượng muối sa lắng theo NaCl khoảng 0,3 mg NaCl/ dm 2 / ngày đêm

+ Vùng 2: từ 250 m đến 1000 m trung bình 0,02 mg NaCl/ dm 2 / ngày đêm

+ Vùng 3: từ 1000 m đến 10 Km hàm lƣợng muối còn rất ít

Phân loại này cũng gần nhƣ phân loại của Úc ( AS 3600): 0-1 km là vùng ven biển, 1-50 km là vùng cận biển, trên 50 km là nội địa

Việt Nam nằm trong vành nội chí tuyến với bức xạ mặt trời cao, khoảng 100-150 kCal/cm², và nhiệt độ trung bình dao động từ 22,5-27,5°C Những yếu tố này thúc đẩy quá trình bốc hơi nước, dẫn đến việc tăng nồng độ Cl- trong khí quyển Ở miền Bắc, nồng độ Cl- trong không khí biển trung bình là 0,67 mg/m³, trong khi miền Nam là 1,2 mg/m³ Nồng độ này giảm mạnh ở độ sâu 200m (còn khoảng 50%) và đến 1000m chỉ còn khoảng 30% Tuy nhiên, nồng độ Cl- cũng phụ thuộc vào tốc độ gió và địa hình, với một số khu vực cách biển đến 20 km hoặc cao hơn vẫn bị ảnh hưởng bởi không khí biển.

Vùng biển Việt Nam kéo dài hơn 3200 km từ vĩ độ 80 đến 240 Bắc, và dựa trên tính chất xâm thực của môi trường biển, cũng như vị trí làm việc của kết cấu bê tông cốt thép (BTCT), có thể phân chia ảnh hưởng của môi trường biển thành các vùng nhỏ với ranh giới rõ ràng.

+ Vùng ngập nước biển: bao gồm các bộ phận kết cấu ngập hoàn toàn trong nước biển

Vùng nước lên xuống, bao gồm cả khu vực sóng táp, là các bộ phận kết cấu hoạt động ở vị trí giữa mực nước thủy triều thấp nhất và cao nhất, đồng thời chịu tác động của sóng.

Vùng khí quyển trên biển và ven biển bao gồm các cấu trúc hoạt động trong không khí, mở rộng từ bề mặt biển cho đến sâu trong đất liền khoảng 20 km.

Hình 2 6 Hình phân vùng môi trường biển Việt Nam [8]

2.2.2 Thành phần hóa học của nước biển

Nước biển chứa khoảng 3,5% muối hòa tan theo khối lượng, tương đương với 35 gram muối trong mỗi kilogram nước biển Thành phần hóa học của các muối này chủ yếu bao gồm các ion.

Na + , K + , Mg 2+ , Ca 2+ , Cl - , SO 4 2- với hàm lƣợng trung bình đƣợc giới thiệu trong bảng 2.5 Thành phần nước biển ở Việt Nam và một số quốc gia như ở bảng 2.6

Bảng 2.5 Thành phần các ion hóa học chủ yếu có trong nước biển

Bảng 2 6: Thành phần hóa học của nước biển Việt Nam và trên thế giới

Chỉ tiêu Đơn vị Vùng biển

Nước biển không chỉ chứa các muối tan mà còn có một số khí như O2, CO2 và H2S, tùy thuộc vào vị trí địa lý và khí hậu của từng vùng biển Những khí này có thể hòa tan trong nước hoặc bị cuốn vào nước biển gần bề mặt không khí, ảnh hưởng đáng kể đến các quá trình hóa học và điện hóa Điều này dẫn đến hiện tượng ăn mòn các cấu trúc bê tông và bê tông cốt thép.

Nước biển của các đại dương chứa khoảng 3,5% muối hoà tan, chủ yếu là 2,73% NaCl, 0,32% MgCl2, 0,22% MgSO4, 0,13% CaSO4, 0,02% KHCO3 cùng một lượng nhỏ CO2 và O2 Ngoài ra, nước biển còn chứa các hợp chất như nitrit, nitrat, photphat, silicdioxit, và các loại muối bromua, iodua Độ pH của nước biển khoảng 8,0.

Bảng 2.7: Độ mặn nước biển tầng mặt trong vùng biển Việt Nam

Mùa đông Mùa hè năm

Hòn Gai 30,8 31,5 31,6 32,2 30,8 29,3 30,9 Hòn Dấu 25,3 28,1 28,1 17,1 11,9 10,9 21,2 Văn Lý 25,9 18,3 29,3 31,8 31,3 31,7 17,4

Nước biển Việt Nam có thành phần hóa học và độ mặn tương đương với nước biển ở nhiều quốc gia khác, tuy nhiên, độ mặn tại vùng bờ có sự suy giảm do ảnh hưởng từ các con sông lớn đổ ra biển.

2.2.3 Nguyên nhân gây ăn mòn bê tông trong môi trường biển

Trong môi trường biển và ven biển, bê tông trong các công trình xây dựng, giao thông, đặc biệt là thủy lợi, đối mặt với nguy cơ ăn mòn cao Hiện tượng này thường xảy ra mạnh mẽ ở những kết cấu tiếp xúc với gió biển hoặc thường xuyên chịu tác động của mưa gió và độ ẩm Ngược lại, những kết cấu ở vị trí khô ráo và ít ẩm ướt thường ít bị hư hỏng do ăn mòn hơn.

Các công trình thủy lợi bằng bê tông hoặc bê tông cốt thép được xây dựng trong nước biển hoặc vùng ven biển phải đối mặt với sự xâm thực từ môi trường biển Điều này chủ yếu do bốn loại yếu tố tác động trực tiếp đến các công trình này.

- Các yếu tố hóa học: Nước biển có chứa các ion khác nhau của các loại muối

- Các yếu tố biến động của nước biển và thời tiết: Nước thủy triều lên xuống nên một số bộ phận bị khô ẩm liên tiếp

- Các yếu tố vật lý: Nhiệt độ biến đổi

Sóng xói mòn có tác động mạnh mẽ đến bề mặt bê tông, đặc biệt là trong các công trình thủy lợi bằng bê tông và bê tông cốt thép tại môi trường biển và ven biển Sự phối hợp của các yếu tố cơ học này dẫn đến hiện tượng ăn mòn nghiêm trọng Có một số dạng ăn mòn chính cần được xem xét để đánh giá mức độ ảnh hưởng đến các công trình này.

- Ăn mòn hóa học bê tông trong nước biển

- Ăn mòn cốt thép trong vùng không khí biển và vùng thủy triều lên xuống

- Ăn mòn bê tông do vi sinh vật biển

Vi sinh vật trong nước biển có khả năng tiết ra các hợp chất hóa học, gây ăn mòn bê tông thông qua cơ chế hóa học Trong số các dạng ăn mòn, ăn mòn hóa học của bê tông và cốt thép trong môi trường thủy triều là phổ biến và nghiêm trọng nhất, ảnh hưởng lớn đến tuổi thọ của các công trình bê tông cốt thép Đối với các công trình vượt biển như cầu, cảng, và kè, quá trình ăn mòn cấu trúc có thể xảy ra ở ba vùng chính khác nhau.

- Vùng thường xuyên ngập nước: chủ yếu xảy ra ăn mòn hóa học và ăn mòn vi sinh ở mức độ nhỏ đối với bê tông

Vùng thủy triều lên xuống là nơi xảy ra nhiều hiện tượng ăn mòn, bao gồm ăn mòn hóa học và vi sinh đối với bê tông, cũng như ăn mòn cốt thép Ngoài ra, khu vực này còn chịu tác động của các lực phá hủy vật lý, va đập và mài mòn cơ học, gây ảnh hưởng nghiêm trọng đến độ bền và tuổi thọ của các công trình xây dựng.

Vùng không khí biển, với sự hiện diện của các muối phân tán, chủ yếu gây ra hiện tượng ăn mòn cốt thép, dẫn đến nứt nẻ và phá hoại lớp bê tông bảo vệ Điều này cho thấy môi trường biển có ảnh hưởng hóa học đáng kể đến các công trình xây dựng.

Hình 2.7 Hình kết cấu bị xâm thực ngoài môi trường tự nhiên (nguồn: Internet)

2.2.4 Cơ chế quá trình ăn mòn trong môi trường biển

2.2.4.1 Ăn mòn kết cấu bê tông trong môi trường biển theo cơ chế vật lý

Nguyên vật liệu

Bê tông HPC yêu cầu các chỉ tiêu vật liệu nghiêm ngặt hơn so với bê tông thông thường theo tiêu chuẩn ASTM Các thành phần chính bao gồm xi măng, vật liệu khoáng siêu mịn như tro bay và silicafume, nước, cốt liệu nhỏ và cốt liệu thô, cùng với các hợp chất phụ gia hóa học như phụ gia chống ăn mòn PLACC-CR.

Lượng tro bay được khuyên dùng để thay thế xi măng pooc lăng phụ thuộc vào loại tro Cụ thể, tro bay cấp F nên chiếm từ 15 đến 25% lượng xi măng, trong khi tro bay cấp C có thể sử dụng từ 20 đến 35% xi măng.

Tro bay được sử dụng trong thí nghiệm là loại F, có hàm lượng CaO dưới 6% theo tiêu chuẩn ASTM C618 Thành phần hóa học của tro bay được trình bày trong bảng dưới đây.

Bảng 3.1 kết quả thí nghiệm các chỉ tiêu

STT Các tiêu chí thí nghiệm Phương pháp thử Đơn vị Kết quả

2 Khối lƣợng thể tích xốp 1084

Chỉ số hoạt tính tuổi 7 ngày so với mẫu đối chứng

Chỉ số hoạt tính tuổi 28 ngày so với mẫu đối chứng

5 Hàm lƣợng mất khi nung

Từ đó ta thấy tỷ lệ SiO2 trên Al 2 O 3 của tro bay nàylà 1.62, hàm lƣợng CaO thấp nhƣng hàm lƣợng mất khi nung khá cao (9.63%)

Hình 3 1 Tro bay dùng trong thí nghiệm

Các chỉ tiêu vật lý: Khối lƣợng riêng: 2500 kg/m 3 , Độ mịn: 94% lƣợng tro bay lọt qua sàng có cỡ sàng là 0.08 mm

Thành phần muội silic trong bê tông chiếm khoảng từ 5- 15 % theo khối lƣợng xi măng

Hình 3 2 Silicafume dùng trong thí nghiệm Đề tài sử dụng Silicafume của hãng Castech có các tính chất vật lý đƣợc trình bày trong bảng sau:

Bảng 3.2 Các tính chất vật lý của Silicafume

STT Chỉ tiêu thí nghiệm Phương pháp thử Đơn vị

1 Khối lƣợng riêng TCVN4030:2003 g/cm 3 2,10

2 Khối lƣợng thể tích xốp

3 Hàm lƣợng mất khi nung

Cần có các thí nghiệm xác nhận mức độ ảnh hưởng của chất bột khi sử dụng xi măng PCB40

Lượng xi măng cao trong bê tông có thể gây ra nhiệt độ tăng cao, do đó cần quy định lượng xi măng tối đa là 525kg cho mỗi mét khối bê tông.

Để đảm bảo cường độ cao cho bê tông, cần sử dụng tỷ lệ nước/xi măng (N/X) thấp, dao động từ 0,35 đến 0,26 Việc này giúp duy trì cường độ mà không làm tăng lượng xi măng quá mức, tránh các tác động tiêu cực như tỏa nhiệt nhiều và co ngót lớn.

Hình 3 3 Xi măng dùng cho thí nghiệm

Thí nghiệm sử dụng xi măng Insee, đây là loại xi măng đƣợc sử dụng phổ biến trên thị trường

STT Các chỉ tiêu Giá trị

1 Giới hạn bền nén không nhỏ hơn

Lƣợng sót trên sàn 0.08mm

Tỉ diện tích bề mặt

Bắt đầu không sớm hơn (phút)

Kết thúc không chậm hơn (phút)

Cốt liệu mịn là thành phần quan trọng trong hỗn hợp bê tông, ảnh hưởng đến khả năng làm việc trong quá trình đổ Để sản xuất bê tông hiệu suất cao (HPC), cần sử dụng cát tròn tự nhiên hoặc cát nghiền từ đá vôi, với mô đun độ mịn từ 2,6 đến 3,2 Thành phần cốt liệu mịn phải tuân thủ tiêu chuẩn AASHTO.

- Cốt liệu mịn phải có hạt bền, cứng và sạch, không lẫn bụi, bùn, sét, chất hữu cơ và những tạp chất khác

- Việc phân tích thành phần hạt của cốt liệu mịn phải thực hiện theo TCVN 7576: 2005 [9] “Cát xây dựng- Yêu cầu kỹ thuật’’

Cát được sử dụng trong nghiên cứu là cát sạch từ sông Đồng Nai, có kích thước hạt thô Các tính chất cơ lý như khối lượng riêng, khối lượng thể tích và thành phần hạt đã được thí nghiệm theo Tiêu chuẩn Việt Nam Trước khi sử dụng, cát được rửa sạch và sấy khô Môdul độ lớn của cát là Mdl=2,104, với 95% lượng sót sàng thuộc loại cát hạt trung bình – nhỏ Kết quả thí nghiệm cho thấy khối lượng riêng của cát là 2610 kg/m³ và khối lượng thể tích là 1450 kg/m³, trong khi thành phần hạt được trình bày chi tiết trong bảng.

Bảng 3.4 Cấp phối hạt của cát

Sàng Lƣợng sót trên sàng Lƣợng sót tích lũy

Hình 3 5 Đường biểu diễn thành phần hạt của cốt liệu nhỏ

Cốt liệu lớn thông thường được sử dụng là đá dăm

- Kích thước tối đa của cốt liệu không lớn hơn 25 mm để đảm bảo cường độ chịu nén

Kích thước lỗ sàng (mm)

Giới hạn thành phần hạt cát dùng trong XD theo TCVN 7576:2005

Sử dụng cốt liệu lớn với tỷ lệ lỗ rỗng thấp là phương pháp hiệu quả để sản xuất bê tông có cường độ nén cao, nhờ vào việc giảm lượng nước trong quá trình trộn mà vẫn đảm bảo khả năng thi công.

Cốt liệu kích thước nhỏ rất quan trọng trong việc tạo ra mối liên kết chặt chẽ giữa vữa và cốt liệu, đồng thời giúp giảm khoảng cách giữa các thép tăng cường.

Thể tích cốt liệu lớn trong bê tông cường độ nén cao (HPC) giúp giảm lượng nước cần thiết cho việc trộn, đồng thời vẫn đảm bảo khả năng làm việc của hỗn hợp Thể tích đã lèn chặt của đá trong bê tông HPC thường dao động từ 0,65 đến 0,72 m³/m³.

Lượng chất độc hại và khả năng phản ứng kiềm của cốt liệu trong sỏi hoặc đá dăm đều nằm dưới mức quy định của TCVN 7572-2006, tiêu chuẩn cho cốt liệu dùng trong bê tông và vữa.

Cốt liệu lớn đƣợc sử dụng trong thực nghiệm là đá có Dmax 20mm, khối lƣợng riêng: 2700 kg/m 3 , khối lƣợng thể tích: 1510 kg/m 3

Hình 3 6 Đường biểu diễn thành phần hạt của cốt liệu lớn Bảng 3.5 Tính chất cơ lý của đá

STT Chỉ tiêu thí nghiệm Đơn vị Kết quả TN0

2 Khối lƣợng thể tích xốp g/cm3 1.68

3 Hàm lƣợng bụi, bùn, sét % 0.58

Kích thước lỗ sàng (mm) Đá dăm

Giới hạn thành phần hạt cát dùng trong XD theo TCVN 7576:2005

5 Hàm lƣợng hạt mềm yếu % 1.10

3.1.6 Phụ gia chống ăn mòn PLACC-CR

PLACC-CR được sản xuất theo tiêu chuẩn TC 03: 2001 và đáp ứng yêu cầu về độ nở sunphát theo tiêu chuẩn ASTM C150 - 92 loại 5, dành cho xi măng Poóc lăng bền sunphát.

Hàm lƣợng 2,0 - 3,0 kg cho 100 kg xi măng

Hình 3 8 Phụ gia Placc-cr dùng trong thí nghiệm

Nước sinh hoạt dùng để chế tạo hỗn hợp bê tông phải tuân thủ theo tiêu chuẩn TCVN 4506 -2012 [11]

Cấp phối

Thiết kế thành phần cấp phối bê tông bao gồm hạt mịn từ tro bay và silicafume, kết hợp với phụ gia chống ăn mòn PLACC-CR Cốt liệu lớn là đá với kích thước Dmax 20, trong khi cốt liệu nhỏ sử dụng cát vàng Hàm lượng tro bay được áp dụng từ 10-20% so với khối lượng xi măng, và silicafume là 5-10% Phụ gia chống ăn mòn PLACC-CR được khuyến cáo sử dụng từ 2-3% theo khối lượng xi măng.

Thành phần cấp phối bê tông hạt mịn bao gồm việc thay thế một phần xi măng bằng tro bay và silicafume, với tỷ lệ tro bay chiếm từ 10-20% và silicafume từ 5-10% tổng lượng xi măng, áp dụng cho các cấp phối CP13, CP14, CP15, và CP16.

Các cấp phối bê tông với sự tham gia của phụ gia chống ăn mòn Placc-cr lần lượt là 2,0%, 2,5% và 3% được phân loại thành các cấp phối CP1, CP2, CP3, CP4, CP5, CP6, CP7, CP8, CP9, CP10, CP11, CP12.

Thành phần cấp phối sử dụng với hàm lượng chất kết dính cố định là 308 kg, trong khi hàm lượng phụ gia khoáng được thay đổi, cụ thể là SF từ 5-10% và FA từ 10-20%, kết hợp với phụ gia Placc-cr từ 2,0-3% Các mẫu được so sánh với cấp phối CP17 (DC) và các cấp phối không có phụ gia Placc-cr như CP13, CP14, CP15, CP16 Mục tiêu là xác định độ bền và khả năng chống thấm của các mẫu khi tiếp xúc với môi trường ăn mòn NaCl 10%, nhằm tìm ra cấp phối tối ưu cho các công trình thực tế, từ đó tăng thời gian sử dụng và giảm chi phí bảo trì Kết quả được trình bày trong bảng 3.6.

Bảng 3.6 Khối lƣợng riêng của thành phần cấp phối:

Bảng 3.7: Bảng cấp phối thí nghiệm

STT Khối lƣợng riêng (kg/m 3 )

Lƣợng nước kg Tỉ lệ

% CP1 261,8 30,8 10 % 15,4 5% 0,462 0,834 5,23 205 CP2 246,4 30,8 10% 30,8 10% 0,462 0,834 4,92 205 CP3 231 61,6 20% 15,4 5% 0,462 0,834 4,62 205 CP4 215,6 61,6 20% 30,8 10% 0,462 0,834 4,31 205 CP5 261,8 30,8 10 % 15,4 5% 0,462 0,834 6,54 205 CP6 246,4 30,8 10% 30,8 10% 0,462 0,834 6,16 205 CP7 231 61,6 20% 15,4 5% 0,462 0,834 5,77 205 CP8 215,6 61,6 20% 30,8 10% 0,462 0,834 5,39 205 CP9 261,8 30,8 10 % 15,4 5% 0,462 0,834 7,85 205 CP10 246,4 30,8 10% 30,8 10% 0,462 0,834 7,39 205 CP11 231 61,6 20% 15,4 5% 0,462 0,834 6,93 205 CP12 215,6 61,6 20% 30,8 10% 0,462 0,834 6,46 205 CP13 261,8 30,8 10 % 15,4 5% 0,462 0,834 205 CP14 246,4 30,8 10% 30,8 10% 0,462 0,834 205

Để xác định thành phần cấp phối, cần tuân theo nguyên tắc thể tích tuyệt đối với tổng thể tích là 1m³ Các nguyên liệu trong từng cấp được phối trộn theo tỉ lệ khối lượng tương ứng, đảm bảo rằng tổng thể tích của chúng đạt 1m³.

- FA: tro bay lƣợng dùng từ 10 - 20 % thay thế xi măng

- SF: Silicafume dùng từ 5 - 10 % thay thế xi măng

- PG: phụ gia Placc-cr đƣợc dùng từ 2 %, 2.5%, 3.0%.

Phương pháp tạo mẫu và thí nghiệm

Sử dụng loại khuôn mẫu 100x200 (mm) để thực hiện và so sánh kết quả các thí nghiệm

Hình 3 9 Công tác chuẩn bị khuông mẫu tại phòng thí nghiệm

3.3.2.1 Nhào trộn và đúc mẫu

Trộn cốt liệu cát và đá mi trong máy trộn, sau đó thêm xi măng vào quá trình nhào trộn Hỗn hợp nước và phụ gia chống ăn mòn PLACC-CR được kết hợp vào bêtông theo tỷ lệ đã tính toán Quá trình nhào trộn diễn ra trong 3 phút để đảm bảo độ đồng nhất của hỗn hợp.

41 a) Cốt liệu nhỏ b) Cốt liệu lớn c) Silicafumer d) Tro bay e) Phụ gia Placc-cr f) Xi măng

Hình 3 10 Nguyên liệu dùng cho công tác đúc mẫu

Quy trình trộn, gia công mẫu nhƣ sau:

- Trộn : xi măng OPC, SF, FA, cốt liệu (các loại) trong máy trộn đảo, thời gian trộn: 60 giây,

- Thêm vào máy trộn 75% lượng nước cần thiết, trộn tiếp 60 giây;

- Thêm nốt 25% lượng nước cần thiết và phụ gia siêu dẻo vào máy trộn, trộn 30 giây

- Vữa bê tông đƣợc đổ khuôn, đầm trên bàn rung

- Mỗi cấp phối đúc 03 viên mẫu, tháo khuôn sau 24h

- Ngâm dưỡng mẫu trong nước cho đến ngày thử nghiệm

Hình 3 11 Quá trình nhào trộn và đúc mẫu

3.3.2.2 Dƣỡng hộ và thí nghiệm

Sau khi tĩnh định 48 giờ, các mẫu bê tông cần được tháo khuôn và dƣỡng hộ theo tiêu chuẩn TCVN 3105: 2007, quy định về việc lấy mẫu, chế tạo và bảo dưỡng mẫu thử bê tông nặng Tiếp theo, các mẫu sẽ tiếp tục được tĩnh định trong 7 ngày tiếp theo để đảm bảo chất lượng.

Các mẫu được đo kích thước và cân để thu thập số liệu ban đầu trước khi ngâm trong dung dịch NaCl 10% Mục đích của việc này là đánh giá khả năng chống ăn mòn của mẫu theo thời gian Dung dịch NaCl 10% được sử dụng nhằm rút ngắn thời gian thí nghiệm trong quá trình thực hiện luận văn.

Hình 3 12 Quá trình bão dƣỡng bê tông tại phòng thí nghiệm

Các thời điểm thí nghiệm được xác định là 0 ngày (trước khi ngâm mẫu), 60 ngày, 90 ngày và 140 ngày, với mẫu được ngâm trong dung dịch NaCl 10% Tại mỗi thời điểm, các mẫu sẽ được lấy ra khỏi dung dịch và lau khô.

44 sạch bằng khăn mềm và tiến hành cân, đo lại kích thước mẫu, đem mẫu đi nén để xác định cường độ chịu nén

Hình 3 13 Quá trình ngâm mẫu trong dung dịch NaCl 10%

3.3.3 Các phương pháp xác định

3.3.3.1 Độ linh động của hỗn hợp bê tông ( TCVN 3106-1993) Độ sụt là chỉ tiêu quan trong nhất của hỗn hợp bê tông, nó đánh giá khả năng dễ chảy của hỗn hợp bê tông dưới tác động của trọng lượng bản thân hoặc rung động Độ lưu động được xác định bằng độ sụt của khối hỗn hợp bê tông theo tiêu chuẩn TCVN 3016-1993 [13]

Sử dụng thiết bị thử là côn Abrams tại phòng thí nghiệm trường

Hình 3 14 Quá trình chế tạo và kiểm tra độ sụt của mẫu thí nghiệm

3.3.3.2 Xác định cường độ chịu nén của mẫu thí nghiệm ( TCVN 3118-

Cường độ chịu nén là một trong những tính chất cơ bản và quan trọng nhất của bê tông, đóng vai trò then chốt trong việc đánh giá chất lượng của vật liệu này Để xác định giới hạn cường độ nén của bê tông, mẫu thử có kích thước 100x200 mm được sử dụng theo tiêu chuẩn TCVN 3118-1993.

Hình 3 15 Thí nghiệm nén mẫu

Hình 3 16 Nén mẫu tại thời điểm 140 ngày ngâm trong dung dịch

Hình 3 17 Công tác nén mẫu tại phòng thí nghiệm

- Tính cường độ chịu nén của từng viên mẫu:

- Cường độ nén từng viên mẫu bê tông (R n ) được tính bằng (daN/cm 2 ) theo công thức:

- P- Tải trọng phá hoại (daN)

- F n - Diện tích chịu nén của viên mẫu (cm 2 )

- k- Hệ số tính đổi kết quả thử nén các viên mẫu bê tông kích thước khác nhau chuẩn về cường độ của viên mẫu kích thước 100x200 mm