BÀI HỌC TỪ NHỮNG CÔNG TRÌNH BÊ TÔNG KHỐI LỚN HƯ HỎNG DO TẤN CÔNG NỘI SUN-PHÁT

TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CƠNG NGHỆ, ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG - SỐ 5(78).2014 43 BÀI HỌC TỪ NHỮNG CÔNG TRÌNH BÊ TƠNG KHỐI LỚN HƯ HỎNG DO TẤN CƠNG NỘI SUN-PHÁT LESSONS LEARNED FROM THE DAMAGE OF MASSIVE CONCRETE STRUCTURES BY INTERNAL SULFATE ATTACKS Nguyễn Văn Hướng Trường Đại học Bách khoa - Đại học Đà Nẵng; Email: nvhuongtltdud@gmail.com Tóm tắt: Trên giới, nhiều cơng trình bê tơng khối lớn có dấu hiệu tượng trương nở nguyên nhân từ bên bê tông (tính chất cốt liệu, loại xi măng, tính chất nước trộn,…) Các phản ứng bên bê tơng biểu hai dạng bệnh: Phản ứng kiềm cốt liệu công nội sun-phát Bài báo quan tâm đến bệnh gây hư hỏng công trình bê tơng khối lớn cơng nội sun-phát Trong bối cảnh Việt Nam chưa có nhiều nghiên cứu chun sâu phịng thí nghiệm nghiên cứu trường, thơng qua việc khảo sát, phân tích số cơng trình bê tơng khối lớn hư hỏng công nội sun-phát kết hợp với thành tựu khoa học lĩnh vực này, báo góp phần làm sáng tỏ chế cơng nội sun-phát cơng trình bê tông khối lớn Abstract: In the world, many massive concrete structures have signs of the expansive phenomena by internal causes of concrete (the nature of aggregate, the type of cement, the properties of the mixed water, ) The inside reactions of the concrete can be expressed in two types of pathologys: the reaction of aggregative alkali and the internal sulfate attack The present paper is concerned about the disease that damages the massive concrete works due to internal sulfate attacks In the context of Vietnam there are few intensive researches in the laboratory as well as field studies, so through the surveys, analyses of some massive concrete structures that were damaged by internal sulfate attacks, in combination with scientific achievements in this field, this paper contributes to clarifying the mechanisms of the internal sulfate attacks for massive concrete works Từ khóa: bê tơng khối lớn; cơng nội sun-phát; giãn nở; cốt liệu; xi măng Key words: massive concrete; internal sulfate attack; expansion; aggregate; cement Đặt vấn đề Sự công sun-phát mối đe dọa lớn độ bền bê tông Tùy thuộc vào nguồn gốc ion sun-phát, cơng sun-phát chia thành hai nhóm: cơng ngoại sun-phát (External Sulfate Attack: ESA) công nội sun-phát (Internal Sulfate Attack: ISA) Trong công nội sun-phát ion sun-phát đến từ thành phần cấp phối bê tơng cơng ngoại sun-phát nguồn sun-phát đến từ mơi trường bên ngồi Sự phá hoại công nội sunphát vấn đề tương đối so với công ngoại sunphát phát từ năm 1980 [5] Tùy theo điều kiện môi trường, công nội sunphát thường xảy theo hai chế: - Tấn công nội sun-phát nhiệt độ môi trường (internal sulfate attack at ambient temperature): chế hoạt động sun-phát bê tông cứng bê tông chứa hàm lượng sun-phát (đến từ xi măng, phụ gia, nước, cốt liệu) cao hoạt động hợp chất hóa học khác lưu huỳnh chứa cốt liệu [11] Đối với cơng trình sử dụng lượng bê tơng lớn ví dụ đập cầu phải đặc biệt lưu ý đến loại cốt liệu dùng, chứa loại khống tiềm ẩn khơng ổn định theo thời gian mơi trường tồn phản ứng với khống xi măng sản phẩm hyđrat xi măng tạo thành hợp chất gây trương nở Hiển nhiên, dùng cốt liệu chứa loại sun-phát khơng tan khó tan (ví dụ tồn dạng baryte BaSO4), ngược lại dùng cốt liệu chứa sun-phát tan vừa tan mạnh (ví dụ anhydrite CaSO4) Mặt khác, số loại cốt liệu chứa sunphua sắt (thường dạng pyrite FeS2 và/ hay pyrrhorite Fe7S8), cốt liệu dùng cho bê tơng ban đầu q trình oxy hóa diễn môi trường ẩm lượng oxy có khơng khí để tạo thành sun-phát, nguyên nhân dẫn đến trương nở ban đầu cho bê tơng Sau đó, sun-phát hình thành q trình tác dụng với sản phẩm hyđrat xi măng hay khống chưa hyđrat xi măng hình thành hợp chất gây trương nở [2] - Tấn công nội sun-phát nhiệt (heat-induced sulfate attack): loại công ám hình thành ettringite gián đoạn (delayed ettringite formation) [6, 8, 13] Nó xem mối lo ngại lớn cơng trình dùng bê tông đúc sẵn dưỡng hộ nhiệt hay bê tơng khối lớn Ettringite (3CaO.Al2O3.3CaSO4.32H2O) gián đoạn hình thành theo chế [5, 6, 8, 13]: Đầu tiên, bê tông tươi chịu nhiệt độ cao từ 65°C (do nhiệt hyđrat bê tông khối lớn hay xử lý nhiệt bê tơng đúc sẵn) phản ứng bình thường (ở nhiệt độ mơi trường) q trình hyđrat xi măng bị thay đổi Cụ thể cản trở hình thành ettringite hay/ ettringite đã hình thành không ổn định nhiệt độ cao bị phân hủy Do vậy, ion sun-phát phần tồn dung dịch lỗ rỗng, phần chủ yếu bị hấp thu liên kết vật lý C-S-H; Sau đó, nhiệt độ vật liệu hạ thấp tồn môi trường ẩm (độ ẩm tương đối >90% môi trường nước) ion sun-phát giải phóng từ C-S-H kết hợp với thành phần khác (Ca2+, Al(OH)4-, OH-, H2O) để hình thành ettringite gián đoạn (delayed ettringite) bê tông đã đông cứng gây giãn nở dẫn đến nứt nẻ Hậu công nội sun-phát gây thường quan sát thấy bề mặt cơng trình bê tơng, vết nứt đa hướng tạo thành ô lưới (độ rộng ô lưới từ 30 ÷ 40 cm) [4], vết nứt mở rộng dẫn đến phá hủy kết cấu Những biểu thường xuất sau vài năm Nguyễn Văn Hướng 44 chí vài chục năm kể từ cơng trình xây dựng Khác với cơng ngoại sun-phát, từ bên ngồi khiến cho kết cấu bị phá hoại từ bề mặt vào bên trong, cịn cơng nội sun-phát ảnh hưởng đồng thời tồn kết cấu, gây giãn nở toàn khối vật liệu sau xuất vết nứt bề mặt cơng trình Phương pháp chẩn đốn cơng trình bê tơng bệnh cơng nội sun-phát: Để chẩn đốn cơng trình bê tơng bị bệnh cơng nội sun-phát, phân tích thạch học khống vật học với thiết bị thí nghiệm đại có độ xác cao phịng thí nghiệm: phân tích hóa học, nhiễu xạ tia X (X-ray diffraction: XRD), huỳnh quang tia X (X-ray fluorescence: XRF), kính hiển vi điện tử (scanning electron microscopy: SEM), phân tích nhiệt, độ rỡng, thực mẫu lấy từ cơng trình, mẫu lưu trữ kết hợp với khảo sát trường phân tích nhật ký thi cơng Bài học từ cơng trình hư hỏng điển hình cơng nội sun-phát: Trên giới nhiều cơng trình bê tơng khối lớn (đập bê tơng, trụ cầu, móng trụ điện, ) có biểu hư hỏng đã xác nhận công nội sun-phát Ở Việt Nam, nhiều cơng trình bê tơng khối lớn có biểu bệnh lý công nội sun-phát Tuy nhiên, đáng tiếc chưa có đề tài nghiên cứu chuyên sâu để kết luận xác ngun nhân Vì vậy, báo trình bày học rút từ số cơng trình thực tế giới bị hư hỏng công nội sun-phát 3.1 Đập bê tơng trọng lực Torán Đập Torán (hình 1) với hai đập khác Tavascán Graus thuộc loại đập bê tông trọng lực xây dựng sứ Catalan Pyrenees (Tây Ban Nha) Cốt liệu đá để xây dựng ba đập có nguồn gốc từ địa phương nơi xây dựng cơng trình Cả ba đập có biểu giống nhau: xuất mạng lưới vết nứt bề mặt bê tông, bê tơng đổi màu, vết nứt có chất rỉ màu trắng đục, riêng đỉnh đập Graus Tavascán bị chuyển vị phía thượng lưu Hình Đập Torán, Catalan - Spain (nguồn: Endesa-Spain) Để xác định nguyên nhân hư hỏng đập Torán, Araújo et al [1] đã thực phân tích mẫu cốt liệu mẫu bê tông đập Torán sau: - Xác định đặc tính cốt liệu: phân tích phức tạp, để xác định xác tính chất cốt liệu Arẳjo et al đã thực phân tích thiết bị SEM-EDAX, XRD XRF Kết đã tìm thấy cốt liệu chứa 2% hợp chất sun-phua, cụ thể tồn dạng pyrrhotite (Fe7S8) - Phân tích mẫu bê tơng đập Torán: phân tích thực thiết bị SEM-EDAX Kết hình cho thấy rằng: mẫu bê tơng nằm đập hợp chất sắt sun-phua khơng bị oxy hóa (hình 2a), điều mẫu bê tơng bên thiếu oxy cần thiết cho trình oxy hóa Trong đó, mẫu bê tơng lấy gần bìa đập phần cốt liệu có chứa sắt sun-phua đã bị oxy hóa (hình 2b) Ngồi ra, phân tích mẫu bê tơng tìm thấy ettringite hình thành lỡ rỡng bê tơng (hình 3a) ettringite hình thành mặt phân giới cốt liệu-hồ xi măng đồng thời sinh vết nứt hồ xi măng (hình 3b) Hình 2a Hình 2b Hình Sắt sun-phua cốt liệu bê tông: không bị oxy hóa (a) bị oxy hóa (b) [1] TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CƠNG NGHỆ, ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG - SỐ 5(78).2014 Từ khảo sát thực tế thí nghiệm với cơng nghệ cao phịng thí nghiệm hư hỏng đập bê tông trọng lực Torán Araújo cộng [1] cho thấy dạng công nội sun-phát nhiệt độ thường Kết hợp với nghiên cứu steger [12], Shayan [10], Casanova et al [2] Oliveira et al [9], q trình cơng nội sun-phát đập Torán khái qt hóa sau: Hình 3a Hình 3a Hình Tinh thể ettringite hình thành lỗ hỗng (a) hình thành mặt phân giới cốt liệu-hồ xi măng (b) [1] + Cốt liệu xây dựng đập có chứa pyrrhorite (Fe7S8), tồn mơi trường ẩm (H2O) có diện oxy (O2) Do đó, q trình oxy hóa cốt liệu (cụ thể Fe 7S8) xảy theo phương trình (1) Fe7O8 + 26.5 O2 + 11 H2O → Fe(OH)3 + SO42- + H+ (1) 45 Theo Oliveira et al., trình oxy hóa làm tăng thể tích vật liệu, ước lượng sau oxy hóa mol pyrrhotite để hình thành sắt hyđroxyt axit sunphuaric (1) thể tích tăng thêm 6,04.10-6 m3 [9] + Axit sunphuaric tác dụng với portlandite (Ca(OH) 2, sản phẩm hyđrat xi măng) để tạo thành thạch cao (gypsum: CaSO2.2H2O) theo phương trình (2) H2SO4 + Ca(OH)2 → CaSO4.2H2O (2) + Sau cơng sun-phát biểu diễn hai phương trình (3) và/ (4) Phương trình (3) phản ứng với celit (3CaO.Al2O3) cịn dư chưa thủy hóa, phương trình (4) phản ứng với monosulfoaluminate 3CaO.Al2O3.CaSO4.12H2O (sản phẩm hyđrat xi măng) tạo thành ettringite 3CaO.Al2O3.3CaSO4.32H2O bê tông cứng [7] 3CaO.Al2O3 + 3(CaSO4.2H2O) + 26H2O → 3CaO.Al2O3.3CaSO4.32H2O (3) 3CaO.Al2O3.CaSO4.12H2O + 2(CaSO4.2H2O) + 16H2O → 3CaO.Al2O3.3CaSO4.32H2O (4) Tuy nhiên, theo nghiên cứu trình hyđrat xi măng celit thủy hóa nhanh giai đoạn đầu, phần cịn lại thủy hóa khoảng chừng ba năm Mặt khác, ion sun-phát tạo thành từ cốt liệu để tạo thành ettringite muộn thường cần thời gian lớn ba năm Do vậy, etringite muộn hình thành chủ yếu từ monosulfoaluminate theo phương trình (4) Sự hình thành ettringite muộn theo (4) làm tăng thể tích ước chừng 248 cm3/mol [9], gây giãn nở làm nứt bê tông 3.2 Cầu Ondes Ondes cầu xây dựng Toulouse, thành phố miền nam nước Pháp Nó hồn thành đưa vào khai thác vào năm 1955 Cầu gồm năm nhịp đơn với chiều dài tổng cộng 202m, trụ cầu có chiều cao trung bình 6.8m, móng hai trụ trịn đường kính 2m, phía hai trụ trịn liên kết với dầm ngang với chiều cao 1.5m, chiều rộng 2.7m, chiều dài 8.2m (hình 4) Theo kết nghiên cứu Divet et al [3], hư hỏng công nội sun-phát biểu dầm ngang trụ pin P2 Những vết nứt rõ vào năm 1982 hai đầu dầm Sau đó, diễn biến công nội sun-phát tiếp tục theo dõi mô tả sau: phương độ mở rộng vết nứt phụ thuộc vào cách bố trí cốt thép dầm, độ mở vết nứt thay đổi từ vài phần mười đến vài mi-li-mét tùy thuộc vào vị trí dầm ngang, vị trí có độ ẩm lớn nước rỉ từ mặt cầu xuống xuất khe nứt dày độ mở rộng lớn (hình 4), vết nứt theo phương ngang xuất nguy hiểm có vết nứt với độ mở rộng tới 7mm Các vết nứt phát triển mạnh hai đầu dầm phần dầm không quan sát thấy vết nứt Nguyễn Văn Hướng 46 Hình Cầu Ondes (Pháp) Để xác định nguyên nhân gây hư hỏng này, Divet et al [3] đã tiến hành khảo sát, phân tích tính tốn mẫu lấy từ trường hồ sơ cơng trình Họ đã dùng mơ đun TEXO phần mềm CESAR-LCPC IFSTTAR (Pháp) để xác định trình nhiệt độ sinh vị trí đầu dầm ngang trụ cầu P2 trình hyđrat xi măng Với số liệu đầu vào gồm: cấp phối bê tơng, kích thước hình học, nhiệt độ mơi trường suốt q trình thi cơng sau (tính 10 ngày) cho kết quả: nhiệt độ lớn đạt 80oC nhiệt độ lớn 70oC trì khoảng 70 Nhiệt độ thỏa mãn điều kiện cần cho hình thành ettringite gián đoạn Ngồi ra, kết hợp với phân tích mẫu trích lấy đầu dầm SEM Divet et al đã xác nhận phá hoại hậu công nội sun-phát nhiệt Một điểm quan trọng rút từ công trình là: đã tiến hành sửa chữa cách bơm vật liệu để bịt kín vết nứt đồng thời dùng lớp chống thấm mặt vào năm 1995 vào tháng năm 1996 lại tiếp tục xuất vết nứt không liên tục đồng thời vết nứt tiếp tục phát triển mở rộng thời gian sau Điều thấy khó để ngăn chặn hay kìm hãm phát triển etringite gián đoạn đã xảy Kết luận Từ nội dung đã trình bày trên, báo đưa kết luận sau: - Tấn công nội sun-phát bệnh bê tông, nguyên nhân nguy hiểm dẫn đến phá hoại cơng trình bê tơng nói chung, đặc biệt cơng trình bê tơng khối lớn; - Tấn công nội sun-phát bê tơng khối lớn xảy theo hai chế: công nội sun-phát nhiệt độ môi trường công nội sun-phát nhiệt Trong trường hợp bất lợi cơng trình chịu cơng đồng thời hai chế này; - Hậu công nội sun-phát gây giãn nở vật liệu dẫn đến nứt nẻ cuối dẫn tới hư hỏng cơng trình; - Vì công nội sun-phát tác nhân từ bên thành phần bê tông, cơng trình đã bị bệnh cơng nội sun-phát gây khó kìm hãm hay ngăn chặn Để đề phòng hay giảm nhẹ tác hại cơng nội sunphát gây cho cơng trình bê tơng, áp dụng biện pháp sau [8]: - Tránh dùng cốt liệu có chứa lượng lớn hợp chất lưu huỳnh hay sun-phát dễ tan; - Tránh trường hợp bê tông tươi chịu nhiệt độ cao 65oC khoảng thời gian dài ; - Nếu tránh hai giải pháp nêu bê tơng phải dùng phụ gia khống hoạt tính như: tro bay, mêta-cao-lanh, hay muội silic Tài liệu tham khảo [1] Arẳjo G.S., Chinchón S., Aguado A., Evaluation of the behavior of concrete gravity dams suffering from internal sulfate attack, IBRACON Structures and Materials Journal, 2008, Vol 1(1), p.84-112 [2] Casanova I., Agullo L., Aguado A., Aggregate expansivity due to sulfide oxidation - I Reaction system and rate model, Cement & Concrete Research, 1996, Vol 26(1), p.993-998 [3] Divet L., Guerrier F., Le Mestre G., Existe-t-il un risque de développement d’une réaction sulfatique d’origine endogène dans les pièces en béton de grande masse? Les cas du pont d’Ondes, Bullentin des laboratoires des Ponts et chaussées, 1998, no213, p.59-72 [4] Godart B., Kittel G., Fasseu P., Manuel d’identification des réactions de dégradation interne du béton dans les ouvrages d’art Guide du Laboratoire Central des Ponts et Chaussées, février 1999 [5] Mielenz R.C., Maruzin S.L., Hime W.G., Jugovic Z.T., Investigation of prestressed concrete railway tie distress, American Concrete Institute, 1995, Vol 17 (12), p.82-68 [6] Nguyễn văn Hướng Nghiên cứu ứng sử vữa xi măng trình hình thành ettringite gián đoạn Hội thảo hạ tầng giao thông Việt Nam với phát triển bền vững TISDV - NXB Xây dựng, 2013, p.279-286 [7] Nguyễn Văn Hướng, Định lượng sản phẩm hyđrat xi măng phương pháp phân tích nhiệt - trọng lượng, Tạp chí Khoa học & Công nghệ Đại học Đà Nẵng, 2013, số 62(1), p.73-78 [8] NGUYEN Van Huong, Effets d’additions minérales sur l’apparition de la Réaction Sulfatique Interne: étude paramétrique, développement et optimisation de méthodes accélérées, Thèse de doctorat, Université de Nantes - France, 2013 [9] Oliveira I., Cavalaro S.H.P., Aguado A., New kinetic model to quantify the internal sulfate attack in concrete, Cement & Concrete Research, 2013, Vol 43, p.95-104 [10] Shayan A., Deterioration of a concrete surface due to the oxidation of pyrite contained in pyritic aggregates, Cement & Concrete Research, 1988, Vol 18(5), p.723-730 [11] Skalny J., Marchand J., Odler I, Sulfate attack on concrete, Taylor & Francis e-Library, 2003 [12] Steger H.F., Oxidation of sulfide minerals: VII Effect of temperature and relative humidity on the oxidation of pyrrhotite, Chemical Geology, 1982, Vol 35(3-4), p.281-295 [13] Taylor H.F.W., Famy C., Scrivener K.L., Delayed ettringite formation, Cement & Concrete Research, 2001, Vol 31(5), p.683-693 (BBT nhận bài: 26/12/2013, phản biện xong: 31/12/2013)