42 Nguyễn Văn Hướng TỔNG QUAN VỀ TẤN CÔNG SUN PHÁT BÊN NGOÀI ĐỐI VỚI BÊ TÔNG A REVIEW OF EXTERNAL SULPHATE ATTACKS ON CONCRETE Nguyễn Văn Hướng Trường Đại học Bách khoa, Đại học Đà Nẵng; nvhuongtltdud[.]
Nguyễn Văn Hướng 42 TỔNG QUAN VỀ TẤN CÔNG SUN-PHÁT BÊN NGỒI ĐỐI VỚI BÊ TƠNG A REVIEW OF EXTERNAL SULPHATE ATTACKS ON CONCRETE Nguyễn Văn Hướng Trường Đại học Bách khoa, Đại học Đà Nẵng; nvhuongtltdud@gmail.com Tóm tắt - Sự hư hỏng bê tông công sun-phát vấn đề nghiêm trọng ảnh hưởng xấu đến độ bền cơng trình bê tơng Tấn cơng sun-phát q trình hóa - lý phức tạp Tùy thuộc vào nguồn gốc iôn sun-phát, cơng sun-phát chia thành hai nhóm: cơng sun-phát bên cơng sun-phát bên ngồi Tấn cơng sun-phát dẫn đến biến đổi sản phẩm hyđrat xi măng thành ettringite, thạch cao dạng khác, dẫn đến ổn định cường độ dính kết phần lớn gen C-S-H bị phá hủy Trên sở phân tích kết nghiên cứu giới, báo trình bày tổng quan cơng sun-phát bên ngồi bê tơng kiến nghị giải pháp phòng ngừa cơng trình bê tơng có nguy bị cơng sun-phát bên ngồi Abstract - Concrete damage due to sulfate attack is one of the serious problems that have bad effects on the durability of a concrete structure Sulfate attack is a very complex physicochemical process Depending on the source of sulfate ions, sulfate attack can be divided into two groups: internal sulfate attack and external sulfate attack The sulfate attack leads to the conversion of the hydration products of cement into ettringite, gypsum and others forms; this also results in the destabilization of the strength and adhesion due to the destruction of a significant part of C-S-H gel Based on an analysis of the research results in the world, this paper is to present a review of the sulfate external attack on concrete and suggest preventive solutions for concrete structures that are at risk of external sulfate attack Từ khóa - bê tơng; ettringite; sun-phát bên ngồi; công sunphát; giãn nở Key words - concrete; ettringite; external sulfate; sulfate attack; expansion Đặt vấn đề Bê tông vật liệu dùng rộng rãi cho công trình xây dựng giới, có mặt gần hầu hết phận cơng trình hạ tầng xây dựng: móng, tường chắn, sàn, trụ cầu, cầu tàu, cừ, đập bê tông, Các phận tồn mơi trường có chứa sunphát và/ thân chúng sẵn chứa sun-phát, tiềm ẩn nguy giảm độ bền, chí bị phá hoại bị công sun-phát Tấn công sun-phát trình phức tạp, hiểu biết chưa thật trọn vẹn Thật vậy, năm 1994, nghiên cứu mình, Depuy [6] cho rằng: “Mặc dù công sun-phát nghiên cứu cách rộng rãi, hiểu biết thật chưa đầy đủ” Mười năm sau, nhận định nhận tán đồng Neville [8], Neville đưa kết luận: “Phần lớn nghiên cứu thực phịng thí nghiệm, nghiên cứu cơng trình thực tế cịn hạn chế” Bởi tính phức tạp, nên chưa có thống định nghĩa công sun-phát phương diện độ bền vật liệu bê tông [16] Cụ thể, nhà nghiên cứu tranh luận vấn đề: Có nên tách biệt cơng sun-phát thành công sun-phát lý học (physical salfate attack) cơng sun-phát hóa học (chemical sulfate attack) thuật ngữ công sun-phát ngầm hiểu công sun-phát hóa học, cịn cơng sun-phát lý học gộp vào công vật lý chung (physical attack) bê tơng? Bài báo đồng tình với quan điểm Neville [8], Skalny cộng [16] Collepardi [5], rằng: Tấn công sun-phát (sulfate attack) thuật ngữ dùng để mô tả chuỗi phản ứng hóa học iơn sun-phát thành phần bê tông (chủ yếu hồ xi măng) bê tơng có chứa sun-phát hoặc/ tồn môi trường sun-phát điều kiện ẩm gây hư hỏng cho bê tông Tùy thuộc vào nguồn gốc sun-phát, công sun-phát bê tơng chia thành hai nhóm: cơng ngoại sun-phát hay cơng sun-phát bên ngồi (external sulfate attack) công nội sun-phát hay công sun-phát bên (internal sulfate attack) Tấn cơng sun-phát bên ngồi gây bê tông tiếp xúc với sun-phát tồn mơi trường bên ngồi (đất, nước ngầm, nước biển, nước thải, khơng khí, ) gây phá hoại bê tơng từ bên ngồi vào bên [1, 8, 16]; Tấn công sun-phát bên gây nguồn sun-phát đến từ thành phần bê tông (xi măng, cốt liệu, nước trộn, phụ gia) gây phá hoại tồn khối bê tơng [9-12, 17] Trường hợp công sun-phát bên tùy theo điều kiện môi trường, chia thành hai loại [12, 16]: Tấn công sun-phát bên nhiệt độ môi trường hay công nội sun-phát nhiệt độ môi trường (internal sulfate attack at ambient temperature), hoạt động sun-phát bê tơng cứng chứa hàm lượng sun-phát (xi măng, phụ gia, nước, cốt liệu) cao hoạt động hợp chất hóa học khác lưu huỳnh chứa cốt liệu [2, 4, 12, 14, 16]; Tấn công sun-phát bên nhiệt hay công nội sun-phát nhiệt (heat-induced sulfate attack), loại công ám hình thành ettringite gián đoạn (delayed ettringite formation) [9-13, 16, 17] Tổng quan dạng công sun-phát thể sơ đồ Hình Các dạng cơng sun-phát bên ngồi Tấn cơng sun-phát bên ngồi xem loại cơng sun-phát cổ điển so với công sun-phát bên Hầu hết loại sun-phát tan nước tác động xấu đến bê tông dùng xi măng pooc lăng, ngoại trừ BaSO4 (bởi gần khơng tan nước) Trong trường hợp cơng sunphát bên ngồi, nguồn sun-phát thường gặp loại muối sun-phát can-xi, ma-giê, na-tri, ka-li, a-mô-ni tồn đất hay tan nước ngầm, nước biển; tiếp đến rác thải công nghiệp, nước thải nông - công nghiệp; sau sun-phát có nguồn gốc từ khơng khí nhiễm ISSN 1859-1531 - TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CƠNG NGHỆ ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG, SỐ 3(88).2015 43 Hình Tổng quan dạng công sun - phát Tấn cơng sun-phát bên ngồi xảy kết cấu bê tông hội đủ ba điều kiện [5]: (1) Bê tơng có tính thấm; (2) Bê tơng tồn môi trường chứa sun-phát với nồng độ định; (3) Sự diện nước Nếu khuyết ba điều kiện cơng sun-phát bên ngồi khơng xảy ra, ví dụ với bê tơng có lỗ rỗng và/ hay có vết nứt nhỏ (có khả thấm nước) tồn mơi trường đất khơ có chứa sun-phát không gây công sun-phát bên ngồi (do thiếu nước nên sun-phát khơng thể di chuyển vào bên bê tông) Tùy thuộc vào chế tương tác sun-phát với sản phẩm hyđrat xi măng điều kiện môi trường, hư hỏng bê tơng cơng sunphát bên ngồi theo q trình phổ biến sau: 2.1 Tấn cơng muối sun-phát Q trình xảy tất loại muối sun-phát (Na2SO4, K2SO4, CaSO4, ), ngoại trừ MgSO4 - Ban đầu, sun-phát công Ca(OH)2 gen C-S-H (C: CaO, SiO2, H: H2O) để hình thành thạch cao CŜH2 (CaSO4.2H2O): SO42- + Ca2+ + 2H2O CaSO4.2H2O (1) Nguồn iôn Ca2+ cung cấp cho trình (1) từ tan Ca(OH)2 hay can-xi (decalcification) từ gen C-S-H Quá trình gây giãn nở hình thành thạch cao lỗ rỗng hồ xi măng đơng cứng dẫn đến giảm cường độ, giảm tính dính kết giảm tỷ số C/S gen C-S-H [7] - Sau đó, cơng sun-phát biểu hình thành ettringite C3A.3CŜ.H32 (3CaO.Al2O3.3CaSO4.32H2O) thạch cao tác dụng với mônôsunphát (C3A.CŜ.H12-18) [16]: C3A.CŜ.H12-18 + CŜH2 + H2O C3A.3CŜ.H32 (2) Ngoài ra, thạch cao tác dụng với celit (C3A) chưa thủy hóa xi măng hình thành ettringite gây giãn nở, nhiên trường hợp xảy [12, 16] Do đó, hình thành ettringite chủ yếu theo phương trình (2) bê tơng đơng cứng, ngun nhân làm cho bê tơng bị giãn nở dẫn đến nứt nẻ, vỡ vụn [5, 16] Lưu ý, trường hợp nguồn ngoại sun-phát CaSO4 cơng sun-phát xảy trực phương trình (2) 2.2 Tấn cơng Sun-phát bên MgSO4 MgSO4 loại muối sun-phát, chế cơng phá hoại hồn tồn khác với muối sun-phát khác (nêu phần 2.1) Quá trình cơng sun-phát MgSO4 bắt đầu tác dụng với Ca(OH)2 hồ xi măng để hình thành brucite (Mg(OH)2) thạch cao [7, 16]: Mg2+ + SO42- + Ca(OH)2 + 2H2O Mg(OH)2 + CaSO4.2H2O (3) Song song nối tiếp can-xi từ gen C-S-H, tạo thành silica vơ định hình ngậm nước (SiO2.aq) và/ hay tinh thể serpentine bền (3MgO.2SiO2.2H2O) [7, 16]: xMg2+ + xSO42- + xCaO.SiO2.eq + 3xH2O xCaSO4.2H2O + xMg(OH)2 + SiO2.aq (4) 2xMg + + 2[xCaO.SiO2.aq] + yH2O 3MgO.SiO2.2H2O + 2x[CaSO4.2H2O] + (2x-3)Mg(OH)2 (5) Sự can-xi gen C-S-H nguyên nhân chủ yếu dẫn đến cường độ, giảm tính dính kết dẫn đến phá hoại bê tơng Sự công dung dịch MgSO4 mảnh liệt loại muối sun-phát khác Nguyên nhân Mg(OH)2 có tính tan thấp, độ pH dung dịch lỗ rỗng giảm nhỏ dẫn đến gen C-S-H khó ổn định Vì vậy, sau Ca(OH)2 bị thiêu thụ theo (4) làm cho độ pH giảm đến giá trị giới hạn can-xi gen C-SH xảy nhằm đảm bão độ cân pH dung dịch lỗ rỗng Tuy nhiên, Ca(OH)2 vừa tạo thành tác dụng với MgSO4 để hình thành Mg(OH)2 CaSO4.2H2O khơng cịn MgSO4 Do đó, q trình dẫn đến phá hoại hồn tồn gen C-S-H Sự cơng dung dịch MgSO4 bê tông mô tả di chuyển iôn OH- đến bề mặt để hình thành Mg(OH)2 di chuyển iơn SO42- vào bên để hình thành thạch cao vùng sâu hình thành lượng nhỏ ettringite 2.3 Tấn cơng sun-phát hình thành thaumasite (TSA) Sự hình thành khống thaumasite (CaSiO3.CaCO3.CaSO4.15H2O) dạng cơng sun-phát bên (thaumasite sulfate attack, viết tắt TSA) Khống thaumasite hình thành sun-phát cơng gen C-S-H Ca(OH)2 với có mặt các-bơ-nát (CO32-) điều kiện nhiệt độ thấp (10.5 [18]: 2+ 2xSO42- 3Ca2+ + SiO32- + CO32- + SO42- + 15H2O CaSiO3.CaCO3.CaSO4.15H2O (6) Nguyễn Văn Hướng 44 Nguồn sun-phát cung cấp cho phản ứng (6) bên hay/ bên ngồi, nhiên phần lớn TSA xảy thực tế nguồn sun-phát bên ngồi [16] Cũng giống iơn SO42-, nguồn các-bơ-nát bên cung cấp xi măng, phụ gia hay cốt liệu và/ hay nguồn các-bơ-nát bên ngồi cung cấp CO2 khơng khí hay CO32- nước ngầm, nước mặt, nước biển [15] Các iôn SiO32- cung cấp từ gen C-S-H nguyên nhân dẫn đến giảm khả dính kết giảm cường độ vật liệu bê tông Đối với trường hợp nghiêm trọng, hồ xi măng (CS-H Ca(OH)2) bị phá hủy hoàn toàn thay thaumasite dạng sệt, màu trắng, khơng có tính kết dính làm cho cơng trình bê tơng bị phá hủy 2.4 Tấn công sun-phát H2SO4 Nguồn H2SO4 gây cơng sun-phát bên ngồi bê tơng đến từ: axít sun-phu-ric tự tồn nước ngầm (hình thành từ ôxy hóa loại sulfide, chủ yếu FeS2 tồn đất với diện ôxy điều kiện ẩm); H2SO4 tồn nước thải công nghiệp; H2SO4 hình thành từ nước cống thải; H2SO4 tồn nước mưa Ban đầu, H2SO4 cơng Ca(OH)2 để hình thành thạch cao theo phản ứng (7), đồng thời H2SO4 công gen C-S-H tạo thành silica vơ định hình ngậm nước thạch cao theo phản ứng (8): Ca(OH)2 + H2SO4 CaSO4.2H2O (7) xCaO.SiO2.aq + xH2SO4 + xH2O xCaSO4.2H2O + SiO2.aq (8) Sự có mặt cơng H2SO4 làm cho độ pH giảm, dẫn đến sản phẩm hyđrat xi măng Afm AFt ổn định biến đổi thành CaSO4.2H2O Al2(SO4)3 Tuy nhiên, sâu bên trong, nơi độ pH cịn trì thạch cao (sinh trước đó) di chuyển đến nên lượng nhỏ ettringite hình thành [16] Q trình cơng sun-phát H2SO4 theo phản ứng (7) (8) làm phá hủy sâu sản phẩm hyđrat xi măng, dẫn đến cường độ bê tông Mặt khác, kết cấu bê tông bị công H2SO4 tồn mơi trường có dịng chảy sản phẩm sinh q trình cơng (đặc biệt muối kiềm sun-phát muối nhôm sun-phát, mức độ thấp muối can-xi sun-phát) bị dịch chuyển bề mặt tự rửa trôi Nghiêm trọng hơn, bê tông sử dụng cốt liệu đá vôi, đá đôlômit, đá magnesite, loại cốt liệu xảy trình phá hủy với hồ xi măng 2.5 Tấn công sun-phát nước biển Nước biển chứa iôn là: Na+, Mg2+, Cl- SO42-, với iơn khác có nồng độ nhỏ như: K +, Ca2+, HCO3- Br- Sự công nước biển kết tương tác đồng thời số iôn kể với bê tông mức độ khác Kết công hóa học nước biển bê tơng tạo thành Mg(OH)2, CaCO3, SiO2.aq, 4MgO.SiO2.8H2O, CaSO4.2H2O, etringite theo phản ứng: Mg2+ + Ca(OH)2 Mg(OH)2 + Ca2+ (9) CO2 + Ca(OH)2 CaCO3 (10) xCO2 + xCaO.SiO2.aq xCaCO3 + SiO2.aq (11) 2+ 2xCaO.SiO2.aq + 4Mg + 4SO4 + (4-x)Ca(OH)2nH2O 4MgO.SiO2.8H2O + 4CaSO4.2H2O (12) Tác nhân dẫn đến mềm hóa hồ xi măng giảm cường độ bê tông môi trường biển phá hủy gen C-S-H theo phản ứng (11), (12) hình thành tinh thể 4MgO.SiO2.8H2O bền Hình Sơ đồ thể tổng quát chế cơng sun-phát bên ngồi [16] ISSN 1859-1531 - TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CƠNG NGHỆ ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG, SỐ 3(88).2015 Từ cách phân loại trên, báo đưa kết luận: Tấn cơng sun-phát bên ngồi tương tác nguồn sunphát bên với sản phẩm hyđrat xi măng bê tông đơng cứng, gây thay đổi hóa học sản phẩm hyđrat xi măng, hậu dẫn đến giãn nở, tính dính kết, giảm cường độ, tăng độ rỗng, vỡ bề mặt hay tách lớp, chí phá hoại hồn tồn kết cấu bê tơng Hai đặc điểm dẫn đến hư hỏng bê tơng cơng sun-phát bên ngồi là: (1) Sự hình thành thạch cao ettringite bê tơng đông cứng (secondary ettringite) gây giãn nở (2) và/ phá hủy gen C-S-H (nhân tố góp phần hình thành cường độ bê tơng) Bức tranh tồn cảnh cơng sun-phát bên ngồi bê tơng thể sơ đồ Hình Giải pháp phịng ngừa Hậu cơng sun-phát bên ngồi cơng trình bê tơng nghiêm trọng phức tạp Khi xảy khó chí khơng thể sửa chữa tốn Do đó, thiết kế cơng trình sử dụng bê tơng có nguy bị cơng ngoại sun-phát cách tốt tìm giải pháp phòng ngừa từ thiết kế cấp phối cho bê tông Xuất phát từ chế công sun-phát bên ngồi, số giải pháp phịng ngừa đề nghị sau đây: - Dùng bê tơng có tính chống thấm cao dùng lớp chống thấm bề mặt (coating or hydrophobizing), nhiên giải pháp thường có giá thành cao; - Đối với trường hợp cơng trình tiếp xúc với mơi trường có nồng độ sun-phát thấp, dùng xi măng bền sunphát type II (xi măng có hàm lượng C3A