Các đặc tính kỹ thuật của bê tông bị xâm thực bởi muối sunphat

TẠP CHÍ KHOA HỌC TRƯỜNG ĐẠI HỌC HỒNG ĐỨC - SỐ 39.2018 65  CÁC ĐẶC TÍNH KỸ THUẬT CỦA BÊ TÔNG BỊ XÂM THỰC BỞI MUỐI SUNPHAT Mai Thị Ngọc Hằng1, Lưu Đình Thi2, Hà Văn Sơn3 TÓM TẮT  Bài báo nghiên cứu các đặc tính của bê tông bị xâm thực bởi muối sunphat. Các hỗn hợp bê tông được thiết kế với tỷ lệ nước - chất kết dính 0,35, 0,40 và 0,45. Tro bay thô của nhà máy nhiệt điện Nghi Sơn được sử dụng để thay thế 10% xi măng trong thành phần cấp phối hỗn hợp bê tông. Các mẫu bê tông được ngâm trong dung dịch Na2SO4 nồng độ 5% và trong nước để so sánh kết quả. Các thí nghiệm về cường độ chịu nén và vận tốc truyền xung siêu âm được tiến hành tại 3, 7, 14, 28, 56 và 91 ngày tuổi. Kết quả thí nghiệm cho thấy, cường độ chịu nén và vận tốc truyền xung siêu âm của các mẫu bị xâm thực sunphat nhỏ hơn các mẫu bê tông thường được bảo dưỡng trong nước. Các phản ứng giữa muối sunphat và các sản phẩm thủy hóa và puzơlan hóa tạo nên gypsum và ettringite là nguyên nhân gây nên sự trương nở, nứt nẻ và làm giảm cường độ chịu lực của bê tông.   Từ khóa: Bê tông, xâm thực sunphat, cường độ chịu nén, vận tốc truyền xung siêu âm, gypsum, ettringite. 1. ĐẶT VẤN ĐỀ  Chất lượng của các kết cấu bê tông cốt thép bị giảm đáng kể do hiện tượng xâm thực  từ môi trường bên ngoài. Các hóa chất từ bên ngoài như axit, muối khi xâm nhập vào bên  trong bê tông sẽ tác động tiêu cực và làm thay đổi khả năng chịu lực cũng như độ bền của bê  tông. Hiện tượng bê tông bị xâm thực bởi các muối sunphat được phát hiện từ năm 1908, tuy  nhiên cho đến nay các nhà nghiên cứu vẫn chưa thực sự hiểu biết về nó một cách đầy đủ [8].  Với các nghiên cứu trên hồ xi măng, Sahmaran và cộng sự [8] đã chỉ ra rằng cường độ chịu  nén của chúng giảm đáng kể sau 16 tuần ngâm trong dung dịch Na2SO4 nồng độ 5%. Các  nghiên cứu trước cũng chỉ ra rằng hồ xi măng không phù hợp để sử dụng trong điều kiện  môi trường bị xâm thực sunphat bởi vì sự tấn công của các muối sunphat dẫn đến sự giãn nở  và làm mất khả năng chịu lực của chúng [4,8]. Tuy nhiên, các nghiên cứu trên cũng chỉ ra  rằng khả năng chống lại sự xâm thực sunphat của hồ xi măng được cải thiện đáng kể khi sử  dụng thêm tro bay và tro trấu với hàm lượng phù hợp.  Những tác động tiêu cực của sunphat lên bê tông được thể hiện thông qua sự giãn nở,  mất khối lượng và giảm cường độ chịu lực [6,7,10,11,12]. Đặc biệt các nghiên cứu của Torii  và cộng sự (1995); Li và cộng sự (2003) đều cho rằng với bê tông thường chỉ sử dụng xi  măng làm chất kết dính bị giãn nở lớn và mất khả năng chịu lực sau 1 năm bị xâm thực bởi  dung dịch Na2SO4 nồng độ 10% hoặc H2SO4 nồng độ 2%. Để cải thiện khả năng chống ăn  mòn sunphat, Summer [10] đã sử dụng 10÷17% tro bay loại F hoặc C để thay thế xi măng.  1,2,3 Giảng viên khoa Kỹ thuật Công nghệ, Trường Đại học Hồng Đức Edited with the trial version of Foxit Advanced PDF Editor To remove this notice, visit: www.foxitsoftware.com/shopping TẠP CHÍ KHOA HỌC TRƯỜNG ĐẠI HỌC HỒNG ĐỨC - SỐ 39.2018 66  Kết quả tương tự khi Torii và cộng sự (1995); Iassar và cộng sự (1996) sử dụng lần lượt 50%  và 20% tro bay thay thế xi măng. Việc sử dụng kết hợp tro bay với xỉ lò cao và muội silic  cũng làm tăng khả năng chống lại sự xâm thực sunphat của bê tông [7,12].  Với tốc độ phát triển mạnh mẽ của ngành công nghiệp xây dựng hiện nay, ngày càng  nhiều các công trình được xây dựng với các yêu cầu kỹ thuật ngày càng khắt khe, đặc biệt  là các công trình tiếp xúc trực tiếp với môi trường có tồn tại sunphat (đất, nước ngầm, nước  biển, nước thải, không khí, ). Hiện nay các công trình nghiên cứu thực nghiệm ở Việt Nam  về ăn mòn sunphat còn rất hạn chế, trong khi các nghiên cứu trên thế giới vẫn chưa hoàn  toàn hiểu hết về hiện tượng này. Việc sử dụng tro bay và các phụ gia khoáng khác có thể tăng  khả năng chống lại sự xâm thực sunphat, tuy nhiên hiệu quả của chúng phụ thuộc nhiều vào  chất lượng của vật liệu được sử dụng. Các kết quả nghiên cứu trước đây sử dụng tro bay tuyển  (được tuyển chọn với chất lượng cao) có lượng mất khi nung từ 0,45% đến 3,2%. Bài báo này  nghiên cứu các đặc tính của bê tông sử dụng tro bay của nhà máy nhiệt điện Nghi Sơn để thay  thế 10% xi măng bị xâm thực bởi dung dịch Na2SO4 nồng độ 5%. Chú ý rằng tro bay được sử  dụng trong bài báo này là tro bay thô (chưa qua tuyển chọn) có lượng mất khi nung lớn, 15,8%.   2. NỘI DUNG   2.1. Vật liệu và phương pháp thí nghiệm 2.1.1. Vật liệu Chất kết dính sử dụng trong nghiên cứu này là xi măng Nghi Sơn PC40 và tro bay của  nhà máy nhiệt điện Nghi Sơn, các thành phần hóa học của chúng được thể hiện trong bảng 1,  khối lượng riêng của chúng lần lượt là 3,12tấn/m3 và 2,16tấn/m3. Theo tiêu chuẩn ASTM C618  [2005], tro bay sử dụng trong nghiên cứu này là tro bay loại F, với tổng hàm lượng SiO2, Al2O3 và Fe2O3 lớn hơn 70% (bảng 1). Chú ý rằng, các nghiên cứu trước [4-7,10-12] sử dụng tro bay  tuyển có lượng mất khi nung nhỏ hơn 6%, phù hợp với tiêu chuẩn ASTM C618 (). Tro bay sử  dụng trong nghiên cứu này là tro bay thô, với lượng mất khi nung 15,8%, lớn hơn yêu cầu theo  quy định của tiêu chuẩn ASTM C618. Việc sử dụng tro bay thô chưa qua tuyển chọn trong  các công trình chịu xâm thực sunphat sẽ được đánh giá trong nghiên cứu này.  Đá và cát được khai thác từ các mỏ tự nhiên trên địa bàn tỉnh Thanh Hóa với các đặc  trưng được trình bày trong bảng 2. Phụ gia hóa dẻo Sikament R7 với khối lượng riêng là  1,15tấn/m3 được sử dụng để giảm lượng nước và tăng tính công tác cho bê tông. Hàm lượng  phụ gia hóa dẻo được sử dụng bằng 1% tổng khối lượng các chất kết dính.   Bảng 1. Thành phần hóa học của xi măng và tro bay Thành  phần (%)  SiO2 Al2O3 Fe2O3 CaO  MgO  SO3 K2O  Na2O  Khác  Lượng  mất khi  nung (%)  Xi măng  22,4  5,3  4,0  55,9  2,8  2,1  0,8  0,3  4,5  1,9  Tro bay  48,4  20,4  4,8  2,8  1,4  0,2  1,1  0,8  4,3  15,8  Edited with the trial version of Foxit Advanced PDF Editor To remove this notice, visit: www.foxitsoftware.com/shopping TẠP CHÍ KHOA HỌC TRƯỜNG ĐẠI HỌC HỒNG ĐỨC - SỐ 39.2018 67  Bảng 2. Các đặc trưng của cốt liệu Cốt liệu  Kích thước  hạt lớn nhất  (mm)  Khối lượng  riêng   (T/m3)  Khối lượng  thể tích khô  (T/m3)  Độ ẩm   (%)  Độ hút nước  (%)  Cát  5,0  2,62  1,50  4,35  1,08  Đá  15,0  2,69  1,45  0,11  0,08  2.1.2. Thiết kế thành phần cấp phối hỗn hợp bê tông Bảng 3 trình bày thành phần cấp phối của các hỗn hợp bê tông. Các hỗn hợp bê tông  được thiết kế theo tiêu chuẩn ACI 211-91 [2] với các tỷ lệ nước-chất kết dính (N/CKD) 0,35,  0,40 và 0,45. Chú ý rằng, hàm lượng tro bay sử dụng bằng 10% tổng hàm lượng chất kết  dính, được kế thừa từ nghiên cứu trước với cùng loại vật liệu [1].  Bảng 3. Thành phần cấp phối mẫu bê tông (tính cho 1m3) Tên mẫu  Tỷ lệ  N/CKD  Xi măng  (kg)  Tro bay  (kg)  Cát  (kg)  Đá  (kg)  Nước  (kg)  Phụ gia hóa dẻo  (kg)  M35  0,35  469,1  52,1  811,6  898,4  177,2  5,2  M40  0,40  410,8  45,6  867,1  899,1  178,0  4,6  M45  0,45  365,4  40,6  910,3  899,7  178,7  4,1  2.1.3. Chuẩn bị mẫu và phương pháp thí nghiệm Khối lượng bê tông tươi và độ sụt của các hỗn hợp bê tông được xác định ngay sau  khi trộn. Sau đó các mẫu bê tông được đúc trong khuôn hình trụ có đường kính 10cm,  chiều cao 20cm. Sau một ngày, tháo khuôn và bảo dưỡng các mẫu bê tông trong nước và  trong  dung  dịch Na2SO4 nồng  độ  5% cho  đến  khi  tiến  hành  các  thí  nghiệm. Các  thí  nghiệm được tiến hành bao gồm cường độ chịu nén và vận tốc truyền xung siêu âm tại  3, 7, 14, 28, 56 và 91 ngày tuổi. Kết quả trình bày trong bài báo này là giá trị trung bình  của 3 mẫu thử.   2.2. Kết quả và thảo luận 2.2.1. Độ sụt và khối lượng bê tông tươi Độ sụt và khối lượng đơn vị thể tích của các hỗn hợp bê tông tươi được trình bày  trong bảng 4. Độ sụt và khối lượng đơn vị thể tích của bê tông thay đổi lần lượt từ 5,2÷6,0  cm và 2408÷2372kg/m3 khi tỷ lệ N/CKD thay đổi từ 0,35 đến 0,45. Kết quả cho thấy độ  sụt tăng và khối lượng đơn vị thể tích của bê tông giảm khi tăng tỷ lệ N/CKD. Với hàm  lượng nước gần như nhau, khi tỷ lệ N/CKD tăng thì hàm lượng xi măng giảm, dẫn đến  khối lượng đơn vị thể tích mẫu giảm, bởi vì khối lượng riêng của xi măng lớn nhất trong  các thành phần cấu tạo nên bê tông. Mặt khác, cường độ chịu nén của bê tông phụ thuộc  chủ yếu vào tỷ lệ N/CKD [9], khi tỷ lệ N/CKD giảm thì cường độ bê tông tăng.   Edited with the trial version of Foxit Advanced PDF Editor To remove this notice, visit: www.foxitsoftware.com/shopping TẠP CHÍ KHOA HỌC TRƯỜNG ĐẠI HỌC HỒNG ĐỨC - SỐ 39.2018 68  Bảng 4. Độ sụt và khối lượng đơn vị thể tích của các mẫu Hỗn hợp   bê tông  N/CKD  Phụ gia   hóa dẻo  (kg/m3)  Độ sụt  (cm)  Khối lượng đơn vị   thể tích  (kg/m3)  M35  0,35  5,2  4,2  2408  M40  0,40  4,6  5,1  2388  M45  0,45  4,1  6,0  2372  2.2.2. Cường độ chịu nén Cường độ chịu nén của các mẫu bê tông thường được bảo dưỡng trong nước và các  mẫu bị xâm thực sunphat (ngâm trong dung dịch Na2SO4 nồng độ 5%) được thể hiện lần  lượt như hình 1a và 1b. Cường độ chịu nén của tất cả các mẫu vẫn tiếp tục tăng theo thời  gian, bởi vì các phản ứng thủy hóa của xi măng (1) và puzơlan hóa của tro bay (2) vẫn tiếp  tục phát triển theo thời gian. Ở cùng ngày tuổi, các mẫu với tỷ lệ N/CKD nhỏ có cường độ  chịu nén cao hơn các mẫu với tỷ lệ N/CKD cao. Điều này được giải thích bởi Shetty [9],  cường độ chịu nén của bê tông tỷ lệ nghịch với tỷ lệ N/CKD.  Phản ứng thủy hóa:   3 2 2 2 C S, C S  + H O C-S-H + Ca OH® (1)  Phản ứng Puzơlan hóa:  22 Ca OH + SiO C-S-H® (2)  Cường độ chịu nén tại các ngày tuổi ban đầu không có sự khác biệt nhiều giữa các  mẫu ngâm trong nước và dung dịch muối sunphat. Tuy nhiên ở các ngày tuổi càng dài, cường  độ chịu nén của các mẫu bê tông được ngâm trong dung dịch muối sunphat thấp hơn các  mẫu bê tông tương ứng được ngâm trong nước. Tại 91 ngày tuổi, cường độ chịu nén của các  mẫu bị ăn mòn sunphat chỉ bằng khoảng 86÷88% so với các mẫu thường, và sự giảm cường  độ này có xu hướng tiếp diễn theo thời gian. Đây là kết quả của các phản ứng giữa muối  sunphatvà  các  sản  phẩm  thủy  hóa  và  puzơlan  hóa  để  tạo  thành  thạch  cao  (gypsum:  4 2CaSO .2H O) và ettringite ( 3 4 2C A.3CaSO .32H O) như phương trình (3)÷(6). Tại các ngày  tuổi ban đầu, các phản ứng thủy hóa và puzơlan hóa chiếm ưu thế nên cường độ của các mẫu  tiếp tục phát triển. Tuy nhiên, càng về sau, các phản ứng tạo ra gypsum và ettringite ngày càng  nhiều, đây là các hợp chất gây giãn nở, làm nứt nẻ và giảm khả năng chịu lực của bê tông.  2 4 2 4 22 Na SO .2H O + Ca OH CaSO .2H O + 2NaOH® (3)  2 4 2 4 2Na SO .2H O + C-S-H CaSO .2H O + N-S-H® (4) 4 13 4 2 2 3 4 2 2 C AH + 3CaSO .2H O + 14H O C A.3CaSO .32H O + Ca OH® (5) 3 4 2 4 2 2 3 4 2C A.CaSO .12H O + 2CaSO .2H O + 16H O C A.3CaSO .32H O® (6) Edited with the trial version of Foxit Advanced PDF Editor To remove this notice, visit: www.foxitsoftware.com/shopping TẠP CHÍ KHOA HỌC TRƯỜNG ĐẠI HỌC HỒNG ĐỨC - SỐ 39.2018 69  0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 Ngµy tuæi (ngµy) 0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 M35 M40 M45 (a)  (b)  Hình 1. Cường độ chịu nén (a) mẫu ngâm nước; (b) mẫu ngâm trong dung dịch Na2SO4 2.2.3. Vận tốc truyền xung siêu âm Vận tốc truyền xung siêu âm là một thí nghiệm không phá hủy mẫu, được dùng để  đánh giá độ bền của bê tông liên quan đến tính đặc chắc, tính đồng nhất và các khuyết tật  bên trong bê tông như vết nứt, lỗ rỗng. Vận tốc truyền xung siêu âm trong bê tông càng cao,  độ đặc chắc của kết cấu càng tốt, chất lượng bê tông càng cao. Theo Carcano và Moreno [5],  bê tông có vận tốc truyền xung siêu âm lớn hơn 4100m/s được xếp vào loại bê tông có chất  lượng cao. Hình 2a và 2b lần lượt thể hiện vận tốc truyền xung siêu âm của các mẫu thường  và mẫu bị ăn mòn sunphat. Kết quả thí nghiệm chỉ ra rằng, vận tốc truyền xung siêu âm có  liên quan mật thiết đến khả năng chịu nén của bê tông. Các mẫu bê tông có cường độ chịu  nén cao thì tương ứng có vận tốc truyền xung siêu âm cao. Tương tự như kết quả chịu nén,  các mẫu bê tông bị ăn mòn sunphat có vận tốc truyền xung siêu âm nhỏ hơn các mẫu bê tông  tương ứng ở điều kiện thường. Kết quả này cũng được giải thích tương tự như kết quả thí  nghiệm xác định cường độ chịu nén, do sự hình thành gypsum và ettringite làm giảm chất  lượng bê tông. Tuy nhiên, tất cả các mẫu bê tông trong nghiên cứu này đều có vận tốc truyền  xung siêu âm lớn hơn 4100m/s, được phân loại là bê tông có chất lượng tốt như đã đề cập ở  trên [5]. Kết quả này một phần là do sự có mặt của tro bay đã làm tăng khả năng chống ăn  mòn sunphat, tương tự như kết quả từ các nghiên cứu trước [4,6-7,10-12].   0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 Ngµy tuæi (ngµy) 4000 4200 4400 4600 4800 5000 5200 M35 M40 M45 0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 Ngµy tuæi (ngµy) 4000 4200 4400 4600 4800 5000 5200 M35 M40 M45 (a)  (b)  Hình 2. Vận tốc truyền xung siêu âm (a) mẫu ngâm nước; (b) mẫu ngâm trong dung dịch Na2SO4 Edited with the trial version of Foxit Advanced PDF Editor To remove this notice, visit: www.foxitsoftware.com/shopping TẠP CHÍ KHOA HỌC TRƯỜNG ĐẠI HỌC HỒNG ĐỨC - SỐ 39.2018 70  3. KẾT LUẬN  Bài báo này trình bày kết quả thí nghiệm về các đặc tính kỹ thuật của bê tông bị xâm  thực bởi dung dịch Na2SO4 nồng độ 5%. Các mẫu bê tông thường được bảo dưỡng trong  nước cũng được thí nghiệm để làm mẫu so sánh. Các kết quả chính được rút ra từ thí nghiệm  cho thấy :   Sau 91 ngày tuổi, cường độ chịu nén của các mẫu bê tông bị xâm thực sunphat giảm  còn 86÷88% so với các mẫu bê tông thường.  Vận tốc truyền xung siêu âm của các mẫu bê tông bị xâm thực thấp hơn các mẫu bê  tông thường.  Sự giảm chất lượng của bê tông trong môi trường bị xâm thực sunphat là do sự hình  thành gypsum và ettringite gây giãn nở, nứt và giảm khả năng chịu lực của bê tông.  Các mẫu bê tông trong nghiên cứu này có chất  lượng  tương đối  tốt khi có vận tốc  truyền xung siêu âm lớn hơn 4100m/s, một phần do sự có mặt của tro bay trong thành phần  cấp phối mẫu.   TÀI LIỆU THAM KHẢO  [1] Ngô Sĩ Huy, Lê Thị Thanh Tâm, Huỳnh Trọng Phước (2017), Effect of fly ash content on the compressive strength development of concrete”, Tạp chí Khoa học  Công nghệ Xây dựng, Số 2, trang 31-36.  [2] ACI  Committee  211  (1991),  Standard practice for selecting proportions for normal, heavyweight, and mass concrete. [3] ASTM C618 (2005), Standard specification for coal fly ash and raw or calcined natural pozzolan for use in concrete. [4] Chindaprasirt  P.,  Kanchanda  P.,  Sathonsaowaphak  A.,  and  Cao  H.  T.  (2007),  Sulfate resistance of blended cements containing fly ash and rice husk ash,  Construction and Building Materials, 21, pp. 1356-1361.  [5] Carcano R. S., and Moreno E. I. (2008), Evaluation of concrete made with crushed limestone aggregate based on ultrasonic pulse velocity, Construction and Building  Materials, 22, pp. 1125-1131.  [6] Irassar E. F., Maio A. D., and Batic O. R. (1996), Sulfate attack on concrete with mineral admixtures, Cement and Concrete Research, 26(1), pp. 113-123.  [7] Li G., and Zhao X. (2003), Properties of concrete incorporating fly ash and ground granulated blast-furnace slag, Cement and Concrete Composite, 25, 293-299.  [8] Sahmaran  M.,  Kasap  O.,  Duru  K.,  and  Yaman  I.  O.  (2007),  Effects of mix composition and water-cement ratio on the sulfate resistance of blended cements,  Cement and Concrete Composite, 29, pp. 159-167.  [9] Shetty M. S. (2005), Concrete technology theory and practice, Ram Nagar, New  Delhi, India.  Edited with the trial version of Foxit Advanced PDF Editor To remove this notice, visit: www.foxitsoftware.com/shopping TẠP CHÍ KHOA HỌC TRƯỜNG ĐẠI HỌC HỒNG ĐỨC - SỐ 39.2018 71  [10] Sumer  M.  (2012),  Compressive strength and sulfate resistance properties of concretes containing Class F and Class C fly ashes, Construction and Building  Materials, 34, pp. 531-536.  [11] Torii K., Taniguchi K., and Kawamura M. (1995), Sulfate resistance of high fly ash content concrete, Cement and Concrete Research, 25(4), pp. 759-768.  [12] Thomas M. D. A., Shehata M. H., Shashiprakash S. G., Hopkins D. S., and Cail  K. (1999), Use of ternary cementitious systems containing silica fume and fly ash in concrete, Cement and Concrete Research, 29, pp. 1207-1214.  THE ENGINEERING PROPERTIES OF CONCRETE UNDER SULFATE ATTACK Mai Thi Ngoc Hang, Luu Dinh Thi, Ha Van Son ABSTRACT  This paper investigates the properties of concrete under sulfate attack. Concrete mixtures were designed with water to binder ratios of 0.35, 0.40, and 0.45. The raw fly ash of Nghi Son power plant was used to substitute 10% of cement in concrete mixtures. Concrete samples were immersed in 5% Na2SO4 solution and fresh water for comparison. The compressive strength and ultrasonic pulse velocity tests were conducted at 3, 7, 14, 28, 56 and 91 days. Testing results indicate that the compressive strength and ultrasonic pulse velocity of concrete samples immersed in sulfate solution were lower than those of corresponding samples immersed in fresh water. The chemical reactions between sulfate ion with the hydration and puzzolanic products to form gypsum and ettringite are causes of expansion, cracks, and reduction in strength of concrete. Keywords: Concrete, sulfate attack, compressive strength, ultrasonic pulse velocity, gypsum, ettringite. Edited with the trial version of Foxit Advanced PDF Editor To remove this notice, visit: www.foxitsoftware.com/shopping