VIỆN KHOA HỌC THỦY LỢI VIỆT NAM KHOA HỌC CÔNG NGHỆ TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ THỦY LỢI SỐ 67 2021 1 ĐỘ BỀN CỦA ĐẬP BÊ TÔNG DƯỚI SỰ ĂN MÒN SUN PHÁT BÊN NGOÀI Trần Văn Quân Đại học Công nghệ Giao thô[.]
KHOA HỌC CÔNG NGHỆ ĐỘ BỀN CỦA ĐẬP BÊ TÔNG DƯỚI SỰ ĂN MỊN SUN-PHÁT BÊN NGỒI Trần Văn Qn Đại học Công nghệ Giao thông Vận tải Nguyễn Hữu Năm Viện Thuỷ điện Năng lượng tái tạo Phạm Bá Tuấn Anh Cục Sở hữu trí tuệ Tóm tắt: Ăn mịn sun phát bên ngồi ảnh hưởng tới độ bền khả chịu lực cơng trình bê tơng, đặc biệt cơng trình đập bê tơng tiếp xúc thường xuyên với nguồn nước có chứa ion sun phát với nồng độ cao Trong báo ví dụ cụ thể ảnh hưởng ăn mịn sun phát ngồi đập bê tơng Mequinenza nêu Việc hình thành khống thaumasite có hại cho tính chất học bê tơng Mơ q trình ăn mịn sun phát ngồi đập bê tông tiến hành nhờ giúp đỡ mơ hình địa hóa học Mơ hình thành cơng việc khẳng định hình thành khống thaumasite lóp vỏ bê tơng với tăng độ rỗng từ làm bong tróc lớp vỏ bê tơng quan sát cơng trình thực tế Dựa kết này, mơ hình giúp dự đốn độ bền cơng trình theo thời gian Từ khóa: Ăn mịn sun phát bên ngồi, Đập bê tơng, Dự đốn độ bền, Thaumasite, Mơ hình địa hóa học Summary: External sulfate attack (ESA) affects the durability and strength capacity of concrete, especially for concrete dams that are in constant contact with water containing high concentrations of sulfate ions In this paper, a concrete example of external sulfate attack on Mequinenza concrete dam is given The formation of thaumasite mineral is harmful to the mechanical properties of concrete Simulation of the external sulfate attack for concrete dam was conducted with the help of geochemical model The model was successful in confirming the formation of thaumasite in the crust of concrete along with increased porosity which peeled off the concrete crust That was observed in real construction Based on the ressults, geochemical model can help to predict the durability of concrete construction Keywords: External sulfate attack, Concrete dams, Prediction of concrete durability, Thaumasite formatuon, Geochemical model ĐẶT VẤN ĐỀ * Ăn mịn sun phát bê tơng phá hủy nghiên cứu rộng rãi giới [1], [2] Các ion sun phát xâm thực từ hai nguồn khác Nếu ion sun phát xâm nhập vào bê tơng từ mơi trường ngồi, ion sau gây phản ứng hóa học gây hại cho kết cấu gọi ăn mịn sun phát bên ngồi (External Sun pháte Attack-ESA) Nếu Ngày nhận bài: 04/6/2021 Ngày thông qua phản biện: 16/7/2021 khơng có xâm thực từ bên ngồi mà nguồn sun phát có bê tơng gây hại cho bê tơng, gọi ăn mịn sun phát bên (Internal Sulfate Attack-ISA) Ăn mòn sun pháte bên xảy bê tơng sử dụng loại xi măng hàm lượng lớn thạch cao cho mục đích làm chậm q trình thủy hóa xi măng cốt liệu sử dụng có chứa khống thạch cao, sắt sunfua muối khác với sun phát Ăn mòn sulfate bao gồm tập hợp Ngày duyệt đăng: 02/8/2021 TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CƠNG NGHỆ THỦY LỢI SỐ 67 - 2021 KHOA HỌC CÔNG NGHỆ phản ứng có liên quan đến ion sulfate Trong thiết kế xây dựng, ăn mòn sun phát hiểu trình ảnh hưởng tới độ bền khả chịu lực cơng trình Hai phản ứng đặc trưng xảy bê tông ăn mịn sun phát là: (1) hình thành thạch cao (CaSO4.2H2O) phản ứng sun phát portlandite (2) hình thành ettringite thứ cấp (3CaO Al2O3.3CaSO4.32H2O) Sự hình thành thạch cao ettringite thứ cấp làm hỏng bê tông ứng suất bên gây giãn nở Sự kết tinh ettringite thứ cấp có hại nhiều so với thạch cao hình thành [3] nghiên cứu rộng rãi, ettringite làm hỏng cấu trúc mức độ lớn [4] Biện pháp thông thường áp dụng để ngăn chặn hình thành ettringite thứ cấp sử dụng xi măng bền sun phát có hàm lượng oxit nhơm thấp chứa xỉ lị cao Ngồi hai sản phẩm q trình ăn mòn sun phát thạch cao ettringite thứ cấp, thaumasite (CaSiO3 CaCO3 CaSO4 15H2O) sản phẩm nguy hại cho bê tơng q trình ăn mịn sun phát Tuy nhiên, sản phẩm khơng phát sinh từ phản ứng liên quan đến khoáng nhơm thủy hóa bê tơng thaumasite hình thành sử dụng bê tông bền sun phát với hàm lượng oxit nhôm thấp Ảnh hưởng khống thaumasite khơng giống thạch cao hay ettringite thứ cấp sinh ứng suất trương nở thể tích, mà thay vào thaumasite hình thành trực tiếp từ phản ứng ion sun phát khoáng C-S-H (jennite tobermorite) Các khống C-S-H có tính chất kết dính chịu lực chủ yếu hồ xi măng, khống C-S-H bị hịa tan để kết tủa thaumasite, khối bê tơng xi măng dễ dàng bị vỡ vụn áp lực nhỏ Nhiều nghiên cứu ghi nhận ảnh hưởng thaumasite đến nhiều kết cấu cơng trình bê tơng với nhiều loại xi măng sử dụng, có hệ thống đập bê tơng cơng trình thủy điện hay hồ chứa [5], [6] Tính đến năm 2018, Bộ Cơng thương thống kê có 385 cơng trình thủy điện lớn nhỏ vận hành khắp nước, kéo theo hệ thống cơng trình đập thủy điện tương ứng, có thủy điện lớn quy mơ : Hịa Bình, Sơn La, Lai Châu hay Thác Bà… Tại Việt Nam nay, cơng trình đập bê tông thủy điện chưa thực nghiên cứu ảnh hưởng ăn mòn sun phát nói chung khống thaumasite nói riêng đến độ bền đập bê tơng Do đó, báo tập trung đưa ví dụ minh họa ảnh hưởng ăn mòn sun phát mà trực tiếp hình thánh khống thaumasite đến cơng trình đập thủy điện cụ thể Dựa điều kiện thực tế cơng trình đập bê tơng kết đánh giá cơng trình, báo đề xuất sử dụng mơ hình số để nghiên cứu mơ q trình hình thành khống thaumasite đập bê tơng tác động nước môi trường xung quanh 45 năm MỘT VÍ DỤ ĐIỂN HÌNH VỀ ĂN MỊN SUN PHÁT ĐỐI VỚI CƠNG TRÌNH ĐẬP BÊ TƠNG Ví dụ trích từ nghiên cứu Chinchón nnk [5] Con đập Mequinenza đập bê tông trọng lực nằm tỉnh Zaragoza,Tây Ban Nha, nằm sơng Ebro (Hình 1a) Chiều cao đập tối đa 79 m chiều dài đỉnh 461 m, thể tích đập 1,1 × 106 m3 Hình 1b cho thấy hình ảnh đập từ phía hạ lưu Hồ chứa giữ đầy lần vào tháng 12 năm 1965, phần móng đập, hình thành tầng đá vôi nằm ngang ngăn cách tầng than mỏng có chứa hàm lượng lưu huỳnh cao (Hình 2) TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CƠNG NGHỆ THỦY LỢI SỐ 67 - 2021 KHOA HỌC CƠNG NGHỆ Hình 1: (a)Vị trí đập Mequinenza hồ chứa thủy điện ; (b) Hạ lưu đập Bê tông đập Mequinenza làm cốt liệu đá vôi chứa nhiều carbonate, cốt liệu không chứa sắt sunfua Fe2S muối chứa ion sun phát khác khả bị ăn Hình 2: Lớp than đá xen kẽ lớp đá vơi tầng địa chất móng mịn hợp chất lưu huỳnh khác xuất vật liệu đó, lý ăn mịn sun phát bên bị loại trừ Hình 3: Carbonate hóa ăn mịn sun phát tường bê tông sát với lớp đá địa chất Hình 4: Các máng bê tơng bị tính chất học, bị tách rời khổi cơng trình thaumasite TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CƠNG NGHỆ THỦY LỢI SỐ 67 - 2021 KHOA HỌC CÔNG NGHỆ Tuy nhiên, hình quan sát thấy có lượng lớn khống ettringite hình thành gây trương nở tường bê tông tiếp xúc với nước ngầm chảy từ lớp than chứa nhiều ion sun phát Hình cho thấy xuống cấp mạnh mẽ bê tông xảy khu vực tiếp xúc lâu dài với nước, cụ thể máng bê tơng đóng vai trị nước tường chắn bê tông nơi tiếp xúc trực tiếp với tầng đá vơi có kèm mạch nước ngầm Khi mà ăn mịn sun phát ngồi phản ứng với khống C-S-H làm tính chất học lớp bê tơng từ tạo nhiều mảng bê tơng bị bong tróc khỏi kết cấu NGHIÊN CỨU ĐÁNH GIÁ GIẢI THÍCH CƠ CHẾ CỦA ĂN MỊN SUN PHÁT BẰNG MƠ HÌNH ĐỊA HĨA HỌC 3.1 Tổng qt hóa mơ hình địa hóa học Sự xuống cấp hóa học bê tơng mơ cách sử dụng định luật bảo toàn khối lượng, định luật cân nhiệt động học phản ứng động lực học phản ứng Mơ hình nhiệt động học ứng dụng nghiên cứu sử dụng chất kết dính vơ trình bày nghiên cứu tác giả Nguyễn Hữu Nãm [7] Các ứng dụng mơ hình địa hóa học dùng thiết kê cấp phối gia cố đất sử dụng puzzolan tự nhiên Nguyễn nnk [8], [9] Sự tương tác ion với khoáng dẫn đến hóa tan khống cũ kết tủa khống Độ bão hịa Ω𝑚 khống m biểu diển phương trình đây: 𝐍𝐜 𝛖𝐦𝐣 𝛀𝐦 = 𝐊 −𝟏 𝐬,𝐦 ∏(𝛄𝐣 𝐂𝐣 ) 𝐣=𝟏 𝐦 (1) = 𝟏, … , 𝐍𝐩 K s,m : số cân khoáng m; υmj : hệ số cân bằng; γj : hệ số độ hoạt động chất j; Cj : nồng độ chất j dung dịch (mol/kg nước); Nc : số lượng chất bản; Np : số lượng khoáng cân nhiệt động học Trạng thái cân hay không cân khống dung dịch mơ tả thơng qua số bão hịa IS (Index of Saturation): 𝐈𝐒𝐦 = 𝐥𝐨𝐠 𝛀𝐦 = 𝟎 (2) Đối với khống, IS=0, dung dịch trạng thái bão hịa, khống cân khơng kết tủa, khơng hịa tan Nếu IS 0, dung dịch bão hòa, tượng kết tủa khống xảy 3.2 Hình học mơ hình Mơ hình chiều sử dụng để mơ trình tương tác nước ngầm bê tông đập Chiều sâu lớp bê tông mô giả thiết sâu 10 cm, môi trường bão hịa nước Mơ hình mơ phần mềm địa hóa học Phreeqc phát triển Viện địa chất Hoa Kỳ Hình 5: Mơ hình chiều bê tông tiếp xúc với nước ngầm 3.3 Điều kiện biên điều kiện ban đầu mơ hình Bê tơng đập Mequinenza thiết kế sử dụng bê tơng Portland bình thường, cốt liệu sử dụng đá vơi, thành phần khống hóa bê tơng giả sử bao gồm khống thủy hóa xi măng Portland calcite đại diện cho đá vôi Độ rỗng bê tông giả sử 0.12 Thành phần khống hóa bê tơng thể bảng 1, thành phần tính tốn từ nghiên cứu Marty nnk [10]: TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ THỦY LỢI SỐ 67 - 2021 KHOA HỌC CƠNG NGHỆ Bảng 1: Thành phần khống bê tơng [10] Tên khống CSH1.6 KatoiteSi Portlandite Goethite Hydrotalcite Ettringite Calcite Cơng thức hóa học Ca1.6SiO3.6.2.58H2O Ca3Al2(SiO4)1(OH)8 Ca(OH)2 FeOOH Mg4Al2O7:10H2O Ca6Al2(SO4)3(OH)12:26H2O CaCO3 Thể tích (%) 9.52 0.88 6.32 0.82 0.34 2.98 79.14 Thành phần nước ngầm chảy từ tầng đá vôi than thể bảng [11]: Bảng 2: Thành phần hóa học nước ngầm từ lớp đá vôi than [10] Thành phần ion CO -2 Ca+2 ClK+ Na+ Mg+2 Nồng độ (mol/l) 2.67×10-4 SO-24 5.35×10-5 1.82×10-4 2.94×10-5 1.79×10-4 2.27×10-5 2.67×10-1 Al+3 pH 1.02×10-5 3.34 Hình 6: Sự hịa tan kết tủa khống bê tơng tiếp xức với môi trường nước ngầm theo thời gian (a) 10 năm, (b) 20 năm, (c) 30 năm (d) 40 năm 3.4 Kết thảo luận Sự hư hỏng xuống cấp đập bê tông Mequinenza ghi nhận thời điểm đập xây dựng sau 40 năm Do thời gian mơ mơ hình 40 năm Các kết mơ hình thay đổi thành phần khoáng hệ số rỗng bê tông thể thời điểm sau 10 năm, 20 năm, 30 năm 40 năm Nhiệt độ trung bình lấy 20°C Hàm lượng khống bê tơng có liên quan đến ăn mịn sun phát ngồi thể hình 6a, 6b, 6c 6d với năm tương ứng 10, 20, 30 40 năm Độ rỗng bê tông thay đổi theo thời gian thể hình Hình 7: Độ rỗng 20 mm bê tơng theo thời gian Có thể nhận thấy với việc tiếp xúc trực tiếp với nước ngầm có pH thấp khoảng 3.34, nhiên độ bền bê tông tương đối cao mà khống bị hịa tan tương đối sau 10 năm bê tơng tiếp xúc với nước ngầm Khống TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CƠNG NGHỆ THỦY LỢI SỐ 67 - 2021 KHOA HỌC CÔNG NGHỆ Portlandite dễ bị hòa tan Sau 40 năm, khống Portlandite bị hịa tan đến 50% hàm lượng mm Việc có mặt ion sun phát nước ngầm khơng gây việc hình thành khoáng ettringite thứ cấp thạch cao (gypsum) Sau 10 20 năm lượng khống C-S-H bị hịa tan nhỏ chưa có hình thành khống thaumasite Tuy nhiên hình 6c 6d cho thấy hàm lượng khống C-S-H bị hịa tan nhiều kèm với thaumasite kết tủa lớp vỏ bê tông Đồng thời độ rỗng lớp vỏ tăng lên theo thời gian khoảng 15 mm Điều phù hợp với quan sát thực tế hình 4, mà có mảng lớn vỏ bê tơng bị bong tróc KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ Trong báo trình bày phần ảnh hưởng ăn mịn sun phát ngồi cơng trình đập bê tơng Đặc biệt cơng trình đập bê tông cốt thép xây dựng địa chất đá vơi xen kẽ than bùn Các khống thaumasite hình thành q trình ăn mịn sun phát ngồi, ion sun phát tác dụng với C-S-H có bê tơng để hình thành khống thamasite, từ làm tính chất kết dính lớp bê tơng gây suy giảm học Bên cạnh cơng cụ số mơ hình địa hóa học ứng dụng để nghiên cứu lý thuyêt chế hình thành thaumasite bê tơng có ăn mịn sun phát bên ngồi Mơ hình khẳng định việc khống C-S-H hình thành thaumasite, với tăng độ rỗng lớp vỏ dẫn đến bong tróc lớp vỏ bê tơng sau khoảng 40 năm tiếp xúc nước ngầm có chứa ion sun phát Từ mơ hình đưa vào dự đốn việc hình thành khống thaumasite cơng trình đập bê tông khác TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] C Ayora, S Chinchón, A Aguado, and F Guirado, “Weathering of Iron Sulfides and Concrete Alteration: Thermodynamic Model and Observation in Dams from Central Pyrenees, Spain,” Cement and Concrete Research, vol 28, no 4, pp 591–603, Apr 1998, doi: 10.1016/S0008-8846(98)00019-2 [2] J S Chinchón, C Ayora, A Aguado, and F Guirado, “Influence of weathering of iron sulfides contained in aggregates on concrete durability,” Cement and Concrete Research, vol 25, no 6, pp 1264–1272, Aug 1995, doi: 10.1016/0008-8846(95)00119-W [3] J Chen and M Jiang, “Long-term evolution of delayed ettringite and gypsum in Portland cement mortars under sulfate erosion,” Construction and Building Materials, vol 23, no 2, pp 812–816, Feb 2009, doi: 10.1016/j.conbuildmat.2008.03.002 [4] S Diamond, “Delayed ettringite formation — Processes and problems,” Cement and Concrete Composites, vol 18, no 3, pp 205–215, Jan 1996, doi: 10.1016/09589465(96)00017-0 [5] S Chinchón-Payá, A Aguado, H W Nugterenc, and S Chinchón, “External sulfate attack in dam concretes with thaumasite formation,” Mater construcc., vol 65, no 317, p e042, Mar 2015, doi: 10.3989/mc.2015.10513 [6] A Campos, C M López, A Blanco, and A Aguado, “Effects of an internal sulfate attack and an alkali-aggregate reaction in a concrete dam,” Construction and Building Materials, vol 166, pp 668–683, Mar 2018, doi: 10.1016/j.conbuildmat.2018.01.180 [7] H N Nguyễn, “Mơ hình nhiệt động lực học ứng dụng nghiên cứu sử dụng chất TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CƠNG NGHỆ THỦY LỢI SỐ 67 - 2021 CHUYỂN GIAO CÔNG NGHỆ kết dính vơ cơ,” Tạp chí Khoa học Cơng nghệ Thủy lợi, vol 58, pp 63–70 [8] H N Nguyen, V Q Tran, A Q Ngo, and C T Ngo, “Application of thermodynamic model to mix design of stabilized soils,” International Journal of Engineering and Advanced Technology, vol 8, no 4, pp 1295–1300, 2019 [9] H N Nguyen, V Q Tran, A Q Ngo, and Q H Nguyen, “Using Natural Pozzolan, Cement and Lime for Stabilizing Soil in Earth Dams,” IJITEE, vol 8, no 10, pp 2809–2814, Aug 2019, doi: 10.35940/ijitee.J9595.0881019 [10] N C M Marty, C Tournassat, A Burnol, E Giffaut, and E C Gaucher, “Influence of reaction kinetics and mesh refinement on the numerical modelling of concrete/clay interactions,” Journal of Hydrology, vol 364, no 1, pp 58–72, Jan 2009, doi: 10.1016/j.jhydrol.2008.10.013 [11] D Jacques, L Wang, E Martens, and D Mallants, “Modelling chemical degradation of concrete during leaching with rain and soil water types,” Cement and Concrete Research, vol 40, no 8, pp 1306–1313, Aug 2010, doi: 10.1016/j.cemconres.2010.02.008 TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CƠNG NGHỆ THỦY LỢI SỐ 67 - 2021 ... nhiệt động lực học ứng dụng nghiên cứu sử dụng chất TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ THỦY LỢI SỐ 67 - 2021 CHUYỂN GIAO CƠNG NGHỆ kết dính vơ cơ,” Tạp chí Khoa học Công nghệ Thủy lợi, vol 58, pp... địa chất Hình 4: Các máng bê tơng bị tính chất học, bị tách rời khổi cơng trình thaumasite TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ THỦY LỢI SỐ 67 - 2021 KHOA HỌC CƠNG NGHỆ Tuy nhiên, hình quan sát thấy có... chứa hàm lượng lưu huỳnh cao (Hình 2) TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CƠNG NGHỆ THỦY LỢI SỐ 67 - 2021 KHOA HỌC CƠNG NGHỆ Hình 1: (a)Vị trí đập Mequinenza hồ chứa thủy điện ; (b) Hạ lưu đập Bê tông đập Mequinenza