Nghiên cứu độ bền sun phát và ion clo của bê tông xi măng mặt đường ở khu vực duyên hải Nam Trung bộ

Luận án cung cấp một tổng quan, các thông số để dự báo tuổi thọ thời gian bắt đầu ăn mòn cốt thép của mặt đường BTXM trong các điều kiện môi trường biển khu vực Duyên hải Nam Trung bộ, l

LỜI CẢM ƠN

Luận án được thực hiện dưới sự hướng dẫn trực tiếp của GS.TS Phạm Duy Hữu và PGS.TS Nguyễn Thanh Sang Tôi xin chân thành cảm ơn các Thầy hướng dẫn đã chỉ dẫn tận tình, góp ý và định hướng khoa học có giá trị cho nội dung nghiên cứu để giúp tôi thực hiện luận án này

Tôi xin cảm ơn quý thầy, cô trong Bộ môn Đường Bộ, Bộ môn Vật Liệu Xây Dựng – Trường Đại Học Giao Thông Vận Tải đã động viên, nhiệt tình giúp đỡ tôi trong quá trình làm luận án

Tôi xin trân trọng cảm ơn PGS.TS Trần Thế Truyền đã đóng góp các ý kiến cho luận án

Tôi xin trân trọng cảm ơn Phòng Đào tạo sau Đại học trường Đại Học Giao Thông Vận Tải đã tạo điều kiện thuận lợi cho tôi trong quá trình học tập tại Trường

Tôi xin trân trọng cảm ơn Ban Giám Hiệu trường Đại học Giao Thông Vận Tải, lãnh đạo Khoa Công Trình đã tạo điều kiện để tôi được học tập và nghiên cứu

Tôi cũng xin trân trọng cảm ơn trường Cao Đẳng Giao Thông Vận Tải 2, Phòng Thí nghiệm & Kiểm định - Trung tâm Kỹ thuật Đường bộ 3 - Cục Quản lý Đường bộ III

đã tạo điều kiện giúp đỡ tôi trong quá trình học tập

Cuối cùng tôi bày tỏ cảm ơn các đồng nghiệp, gia đình và người thân đã giúp đỡ tôi trong suốt quá trình học tập, nghiên cứu

Tác giả

Hồ Văn Quân

CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM

Độc lập –Tự do – Hạnh phúc

Hà Nội, ngày tháng 07 năm 2016

LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan luận án này là công trình nghiên cứu của cá nhân tôi Các số liệu

kết quả nêu trong luận án là trung thực và chưa được ai công bố trong bất kỳ công trình nào khác

Tác giả luận án

Hồ Văn Quân

MỤC LỤC

Lời cảm ơn i

Lời cam đoan ii

Mục lục iii

Danh mục các bảng ix

Danh mục các hình vẽ, đồ thị xii

Danh mục các chữ viết tắt, các kí hiệu xiv

MỞ ĐẦU 1

Chương 1: TỔNG QUAN 5

1.1 KHÁI QUÁT VỀ VÙNG DUYÊN HẢI NAM TRUNG BỘ 5

1.1.1 Các đặc trưng khí hậu vùng duyên hải Nam Trung bộ 5

1.1.2 Tác động của biến đổi khí hậu 5

1.1.3 Phân vùng môi trường biển Việt Nam 6

1.1.3.1 Vùng ngập nước 6

1.1.3.2 Vùng khí quyển trên và ven biển 7

1.1.3.3 Vùng thủy triều lên xuống và sóng đánh 7

1.2 CÁC TÍNH CHẤT THẤM, ĐỘ BỀN VÀ CÁC CƠ CHẾ SUY GIẢM ĐỘ BỀN CỦA BÊ TÔNG XI MĂNG 7

1.2.1 Các vấn đề chung 7

1.2.1.1 Khái niệm bê tông xi măng 7

1.2.1.2 Phân loại bê tông xi măng 8

1.2.1.3 Cấu trúc của bê tông xi măng 9

1.2.2 Các tính chất thấm của bê tông xi măng 13

1.2.2.1 Quá trình vận chuyển 13

1.2.2.2 Các yếu tố ảnh hưởng đến tính chất thấm của bê tông xi măng 15

1.2.3 Độ bền của bê tông xi măng và các cơ chế suy giảm độ bền 15

1.2.3.1 Khái niệm độ bền của bê tông xi măng 15

1.2.3.2 Các cơ chế suy giảm độ bền của bê tông xi măng 17

1.3 PHÂN LOẠI VÀ CẤU TẠO MẶT ĐƯỜNG BÊ TÔNG XI MĂNG 24

1.3.1 Phân loại mặt đường ô tô có lớp mặt bằng bê tông xi măng 24

1.3.1.1 Mặt đường BTXM thường có khe nối (JPCP) 24

1.3.1.2 Mặt đường BTCT có khe nối (JRCP) 24

1.3.1.3 Mặt đường BTCT liên tục (CRCP) 25

1.3.2 Cấu tạo mặt đường bê tông xi măng 25

1.4 CÁC NGHIÊN CỨU VỀ ĐỘ BỀN CỦA BÊ TÔNG XI MĂNG TRÊN THẾ GIỚI VÀ TRONG NƯỚC 27

1.4.1 Các nghiên về độ bền của bê tông xi măng trên thế giới 27

1.4.1.1 Các nghiên cứu về độ bền sun phát của bê tông xi măng 27

1.4.1.2 Các nghiên cứu về độ thấm và hệ số khuyếch tán ion clo của bê tông 29

1.4.1.3 Các nghiên cứu về thời gian khởi đầu ăn mòn, thời gian lan truyền ăn mòn cốt thép và tuổi thọ của kết cấu bê tông 34

1.4.2 Các nghiên cứu về độ bền của bê tông xi măng trong nước 36

1.5 XÁC ĐỊNH VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU 39

1.6 MỤC TIÊU NGHIÊN CỨU 40

1.7 NỘI DUNG VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU 40

1.7.1 Nội dung nghiên cứu 40

1.7.2 Phương pháp nghiên cứu 41

1.8 KẾT LUẬN CHƯƠNG 1 41

Chương 2: KHẢO SÁT ĐÁNH GIÁ TỐC ĐỘ CACBONAT HÓA, ĐỘ THẤM ION CLO VÀ NỒNG ĐỘ CLO BỀ MẶT BÊ TÔNG CỦA MỘT SỐ KẾT CẤU BÊ TÔNG Ở KHU VỰC QUẢNG NAM - ĐÀ NẴNG 43

2.1 XÁC ĐỊNH HỆ SỐ CACBONAT HÓA VÀ ĐỘ THẤM ION CLO CỦA MỘT SỐ MẶT BTXM Ở KHU VỰC QUẢNG NAM – ĐÀ NẴNG 43

2.1.1 Xác định hệ số cacbonat hóa của một số mặt đường bê tông xi măng ở khu vực Quảng Nam – Đà Nẵng 43

2.1.1.1 Khảo sát, lấy mẫu và thí nghiệm xác định chiều sâu cacbonat hóa 43

2.1.1.2 Kết quả đo chiều sâu cacbonat hóa của các mặt đường BTXM 44

2.1.1.3 Xác định hệ số cacbonat hóa của một số mặt đường BTXM 46

2.1.1.4 Đánh giá chất lượng mặt đường BTXM 47

2.1.2 Thí nghiệm xác định độ thấm ion clo của mặt đường BTXM ở khu vực Quảng Nam – Đà Nẵng 47

2.1.2.1 Chuẩn bị mẫu 47

2.1.2.2 Tiến hành thí nghiệm 48

2.1.2.3 Kết quả thí nghiệm 50

2.2 PHÂN TÍCH SỰ THAY ĐỔI NỒNG ĐỘ CLO BỀ MẶT BÊ TÔNG THEO THỜI GIAN CÁC CÔNG TRÌNH BTCT VEN BIỂN Ở KHU VỰC ĐÀ NẴNG 50

2.2.1 Phương pháp xác định nồng độ clo bề mặt của các công trình xây dựng 51

2.2.2 Lấy mẫu bê tông thí nghiệm xác định nồng độ clo bề mặt bê tông 52

2.2.3 Phân tích kết quả thí nghiệm 53

2.2.4 Phân tích sự thay đổi của nồng độ clo bề mặt bê tông theo thời gian 54

2.3 DỰ BÁO TUỔI THỌ CỦA MẶT ĐƯỜNG BTXM ĐANG KHAI THÁC Ở KHU VỰC QUẢNG NAM – ĐÀ NẴNG DO CACBONAT HÓA VÀ XÂM NHẬP ION CLO 58

2.3.1 Dự báo tuổi thọ của mặt đường BTXM đang khai thác ở khu vực Quảng Nam – Đà Nẵng do cacbonat hóa 58

2.3.2 Dự báo tuổi thọ của mặt đường BTXM đang khai thác ở khu vực Quảng Nam – Đà Nẵng do xâm nhập ion clo 59

2.4 KẾT LUẬN CHƯƠNG 2 63

Chương 3: NGHIÊN CỨU THỰC NGHIỆM XÁC ĐỊNH CÁC ĐẶC TRƯNG CƯỜNG ĐỘ, ĐỘ BỀN SUN PHÁT VÀ ĐỘ THẤM ION CLO CỦA BÊ TÔNG 65

3.1 CÁC YÊU CẦU CỦA XI MĂNG VÀ BÊ TÔNG XI MĂNG DÙNG TRONG XÂY DỰNG MẶT ĐƯỜNG Ô TÔ 65

3.1.1 Các yêu cầu đối với xi măng dùng trong xây dựng mặt đường ô tô 65

3.1.2 Các yêu cầu đối với BTXM dùng trong xây dựng mặt đường ô tô 65

3.2 VẬT LIỆU SỬ DỤNG CHẾ TẠO BÊ TÔNG XI MĂNG 67

3.2.1 Xi măng 67

3.2.2 Phụ gia khoáng 69

3.2.2.1 Tro bay 69

3.2.2.2 Muội silic 70

3.2.3 Cốt liệu lớn 71

3.2.4 Cốt liệu nhỏ 73

3.2.5 Phụ gia siêu dẻo 75

3.3 THIẾT KẾ THÀNH PHẦN BÊ TÔNG 75

3.3.1 Phương pháp ACI 211 75

3.3.1.1 Tiêu chuẩn ACI 211.1-97 75

3.3.1.2 Tiêu chuẩn ACI 211.4R – 08 81

3.3.2 Tính toán thiết kế thành phần bê tông 84

3.3.2.1 Tính toán thành phần bê tông cấp 30 MPa 84

3.3.2.2 Tính toán thành phần bê tông cấp 40 MPa 86

3.3.2.3 Tính toán thành phần bê tông cấp 50 MPa 88

3.3.2.4 Thử độ sụt để xác định lượng phụ gia siêu dẻo 90

3.4 THÍ NGHIỆM XÁC ĐỊNH CƯỜNG ĐỘ KÉO UỐN VÀ CƯỜNG ĐỘ NÉN CỦA CÁC LOẠI BÊ TÔNG 91

3.4.1 Số lượng mẫu thí nghiệm 91

3.4.2 Công tác đúc và bảo dưỡng các mẫu bê tông 91

3.4.3 Thí nghiệm xác định cường độ kéo uốn và cường độ nén của bê tông 93

3.4.4 Xác định cường độ kéo uốn và cường độ nén đặc trưng của bê tông 94

3.4.5 So sánh với yêu cầu của BTXM dùng để xây dựng mặt đường ô tô 102

3.5 THÍ NGHIỆM ĐỘ BỀN SUN PHÁT CỦA CÁC LOẠI BTXM 103

3.5.1 Số lượng mẫu thí nghiệm 103

3.5.2 Công tác đúc và bảo dưỡng các mẫu bê tông 103

3.5.3 Công tác thí nghiệm 103

3.5.3.1 Xác định chiều dài ban đầu của các mẫu bê tông 103

3.5.3.2 Xác định độ thay đổi chiều dài của các mẫu bê tông 104

3.6 THÍ NGHIỆM ĐỘ THẤM ION CLO CỦA CÁC LOẠI BTXM 108

3.6.1 Số lượng mẫu thí nghiệm, công tác đúc và bảo dưỡng các mẫu bê tông 108

3.6.2 Công tác thí nghiệm 110

3.6.3 Kết quả thí nghiệm 110

3.7 KẾT LUẬN CHƯƠNG 3 112

3.7.1 Về các đặc trưng cường độ của bê tông xi măng 112

3.7.2 Về độ bền sun phát và độ chống thấm ion clo của bê tông xi măng 112

Chương 4: DỰ BÁO TUỔI THỌ CỦA MẶT ĐƯỜNG BÊ TÔNG XI MĂNG SỬ DỤNG CÁC LOẠI BÊ TÔNG MỚI Ở KHU VỰC QUẢNG NAM – ĐÀ NẴNG DO XÂM NHẬP ION CLO 113

4.1 KHÁI NIỆM VỀ THIẾT KẾ TUỔI THỌ 113

4.1.1 Khái niệm về thiết kế tuổi thọ 113

4.1.2 Cơ sở để thiết kế tuổi thọ 114

4.1.2.1 Tuổi thọ 114

4.1.2.2 Các mô hình suy giảm độ bền 115

4.2 KHÁI QUÁT KHUNG THIẾT KẾ TUỔI THỌ 116

4.2.1 Thiết kế hệ số tải trọng và sức kháng (LRFD) 116

4.2.1.1 Phương trình thiết kế 116

4.2.1.2 Các biến sức kháng và tải trọng 117

4.2.1.3 Các giá trị đặc trưng 117

4.2.1.4 Các giá trị thiết kế và các hệ số riêng phần 117

4.3 XÂM NHẬP ION CLO, KHỞI ĐẦU ĂN MÒN CỐT THÉP 119

4.3.1 Phương trình thiết kế 119

4.3.2 Các giá trị thiết kế 120

4.3.3 Giá trị đặc trưng 120

4.3.3.1 Hình học 120

4.3.3.2 Vật liệu 120

4.3.3.3 Thi công 120

4.4.3.4 Các tính chất tùy thuộc vào vật liệu và môi trường 120

4.4 DỰ BÁO TUỔI THỌ CỦA MẶT ĐƯỜNG BTXM SỬ DỤNG CÁC LOẠI BÊ TÔNG MỚI DO XÂM NHẬP ION CLO Ở VÙNG KHÍ QUYỂN BIỂN 121

4.5 KẾT LUẬN CHƯƠNG 4 128

KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 129

1 Kết luận 129

2 Những tồn tại, hạn chế 130

3 Kiến nghị về hướng nghiên cứu tiếp theo 131

DANH MỤC CÁC CÔNG TRÌNH CỦA TÁC GIẢ ĐÃ CÔNG BỐ

TÀI LIỆU THAM KHẢO

DANH MỤC CÁC BẢNG

Bảng 1.1 Thành phần hóa học của nước biển ở khu vực Đà Nẵng 6 Bảng 1.2 Kết quả thí nghiệm các tính chất cơ học và độ bền của bê tông [72] 33 Bảng 1.3 Kết quả thí nghiệm các tính chất cơ học và độ bền của các mẫu bê tông đúc tại chỗ và khoan từ mặt đường [107] 34 Bảng 2.1 Thành phần BTXM xây dựng mặt đường ở khu vực QN– ĐN 43 Bảng 2.2 Kết quả đo chiều sâu cacbonat hóa và xác định hệ số cacbonat hóa của mặt đường BTXM Quảng Nam – Đà Nẵng 45 Bảng 2.3 Kết quả tính toán hệ số cacbonat hóa đặc trưng của BTXM 47 Bảng 2.4 Đánh giá mức độ thấm ion clo của bê tông 49 Bảng 2.5 Độ thấm ion clo của mặt đường BTXM ở khu vực Quảng Nam - Đà Nẵng 50 Bảng 2.6 Kết quả thí nghiệm xác định hàm lượng clo theo chiều sâu của các công trình ở vùng khí quyển biển 53 Bảng 2.7 Kết quả thí nghiệm xác định hàm lượng clo theo chiều sâu của các công trình ở vùng thủy triều 54 Bảng 2.8 Giá trị các tham số CS và m của các kết cấu bê tông với các điều kiện tiếp xúc khác nhau 56 Bảng 2.9 Tuổi thọ của mặt đường BTXM ở khu vực Quảng Nam – Đà Nẵng do cacbonat hóa 58 Bảng 2.10 Giá trị đặc trưng nồng độ clo tới hạn 59 Bảng 2.11 Độ thấm và hệ số khuyếch tán ion clo ở 28 ngày của mặt đường BTXM

ở khu vực Quảng Nam – Đà Nẵng 61 Bảng 2.12 Tuổi thọ của mặt đường BTXM ở khu vực Quảng Nam – Đà Nẵng do xâm nhập clo 62 Bảng 3.1 Cường độ nén và cường độ kéo uốn yêu cầu của xi măng dùng trong xây dựng mặt đường BTXM 66 Bảng 3.2 Các chỉ tiêu hóa, lý của xi măng dùng trong xây dựng mặt đường BTXM 66

Bảng 3.3 Các chỉ tiêu yêu cầu của bê tông dùng trong xây dựng mặt đường ô tô 67

Bảng 3.4 Thành phần khoáng vật của các loại xi măng sản xuất tại Việt Nam 68

Bảng 3.5 Các chỉ tiêu cơ, lí của xi măng Nghi Sơn PCB40 68

Bảng 3.6 Kết quả xác định lượng nước yêu cầu và độ hoạt tính của TB 69

Bảng 3.7 Các tính chất của tro bay theo ASTM C618:05 và TCVN 10302:2014 69

Bảng 3.8 Kết quả xác định độ hoạt tính của muội silic 70

Bảng 3.9 Các chỉ tiêu của muội silic theo ASTM C1240 70

Bảng 3.10 Yêu cầu đối với bê tông tiếp xúc với các môi trường xâm thực nặng 71

Bảng 3.11 Các chỉ tiêu cơ, lí yêu cầu của cốt liệu lớn dùng làm mặt đường BTXM 72

Bảng 3.12 Các chỉ tiêu cơ, lí của đá gốc Granit ở mỏ đá Phước Tường- Đà Nẵng 72

Bảng 3.13 Các chỉ tiêu cơ, lí của đá Dmax = 19 mm ở mỏ đá Phước Tường – Đà Nẵng 73

Bảng 3.14 Thành phần hạt của đá dăm ở mỏ đá Phước Tường – Đà Nẵng 73

Bảng 3.15 Các chỉ tiêu cơ, lý yêu cầu của cát dùng làm mặt đường BTXM 74

Bảng 3.16 Các chỉ tiêu cơ, lí của cát vàng Túy Loan – Đà Nẵng 74

Bảng 3.17 Thành phần hạt của cát vàng Túy Loan – Đà Nẵng 74

Bảng 3.18 Các chỉ tiêu của phụ gia siêu dẻo Glinium 113 75

Bảng 3.19 Độ sụt của hỗn hợp bê tông theo loại kết cấu 76

Bảng 3.20 Lượng nước trộn và hàm lượng không khí của bê tông tươi 76

Bảng 3.21 Mối quan hệ giữa tỉ lệ N/CKD và cường độ nén 78

Bảng 3.22 Thể tích của đá dăm đã đầm chặt trên một đơn vị thể tích bê tông 78

Bảng 3.23 Đề xuất độ sụt cho bê tông có và không có phụ gia siêu dẻo 81

Bảng 3.24 Đề xuất độ sụt của hỗn hợp bê tông theo loại kết cấu 81

Bảng 3.25 Kích thước lớn nhất của cốt liệu lớn 82

Bảng 3.26 Thể tích của đá dăm đã đầm chặt trên một đơn vị thể tích bê tông 82

Bảng 3.27 Lượng nước trộn và hàm lượng không khí của bê tông tươi trên cơ sở sử dụng cát có độ rỗng 35% 83

Bảng 3.28 Gía trị tối đa N/CKD khuyên dùng đối với bê tông được sản xuất không

có phụ gia siêu dẻo 83

Bảng 3.29 Gía trị tối đa N/CKD khuyên dùng đối với bê tông được sản xuất có phụ gia siêu dẻo 83

Bảng 3.30 Thành phần bê tông cấp 30, 40 và 50 MPa 90

Bảng 3.31 Số lượng các mẫu bê tông để thí nghiệm cường độ kéo uốn và nén 91

Bảng 3.32 Gía trị của kn cho giá trị đặc trưng 5% 94

Bảng 3.33 Cường độ kéo uốn và cường nén đặc trưng của các loại bê tông 95

Bảng 3.34 Tỉ số f’c/ f’c28, f’c/f’c0MS0TB và f’cn/f’ckucủa các loại bê tông 98

Bảng 3.35 So sánh với cường độ kéo uốn yêu cầu của BTXM làm mặt đường 102

Bảng 3.36 Chiều dài ban đầu các mẫu bê tông sau khi bảo dưỡng ẩm 28 ngày 104

Bảng 3.37 Độ thay đổi chiều dài các mẫu bê tông theo thời gian ngâm 105

Bảng 3.38 Độ thay đổi chiều dài trung bình các mẫu bê tông theo thời gian ngâm 106

Bảng 3.39 Tỉ số độ giãn nở của bê tông 7MS0TB, 5MS15TB so với bê tông 0MS0TB 107

Bảng 3.40 Số lượng các mẫu bê tông để thí nghiệm độ thấm ion clo 109

Bảng 3.41 Độ thấm ion clo của các loại bê tông xi măng 109

Bảng 3.42 Tỉ số Q28/Q280MS0TB,Q56/Q560MS0TB và Q56/Q28 của các loại BTXM 110

Bảng 4.1 Giá trị đặc trưng của hệ số bảo dưỡng bê tông 120

Bảng 4.2 Giá trị đặc trưng của hệ số môi trường với bê tông thường 121

Bảng 4.3 Giá trị đặc trưng hệ số tuổi của bê tông 121

Bảng 4.4 Độ thấm và hệ số khuyếch tán ion clo của các loại BTXM ở 28 ngày 123

Bảng 4.5 Tuổi thọ của mặt đường BTXM do xâm nhập ion clo ở vùng khí quyển biển 125

Bảng 4.6 Tỉ số tbđ/tyc,tbđ/tbđ0MS0TB và tbđ/tbđMĐ của các loại mặt đường BTXM 126

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ

Hình 1.1 Phân vùng môi trường biển Việt Nam [9] 6

Hình 1.2 Các yếu tố ảnh hưởng đến tính thấm của bê tông [91] 15

Hình 1.3 Suy giảm độ bền theo thời gian của bê tông xi măng [96] 16

Hình 1.4 Vùng xâm nhập cacbonat hóa đạt đến cốt thép [77] 21

Hình 1.5 Sơ đồ biểu diễn clo gây ăn mòn cốt thép [99] 22

Hình 1.6 Thể tích tương đối của các sản phẩm ăn mòn so với thể tích sắt [88] 24

Hình 1.7 Các hư hại do ăn mòn gây ra nứt, vỡ, tách lớp bê tông [86] 24

Hình 1.8 Cấu tạo và bố trí cốt thép gia cường ở mép tấm BTXM 25

Hình 1.9 Cấu tạo và bố trí cốt thép gia cường tại góc tấm BTXM 26

Hình 1.10 Cấu tạo và bố trí cốt thép gia cường tại vị trí cống hộp (cống chui) 26

Hình 1.11 Cấu tạo và bố trí cốt thép gia cường tại vị trí cống tròn 27

Hình 1.12 Ảnh hưởng của MS và TB đến sức kháng sun phát của bê tông [102] 28

Hình 1.13 Ảnh hưởng của hàm lượng MS, TB và tỉ lệ N/CKD vào độ thấm

ion clo của các loại bê tông ở 28 ngày [79] 32

Hình 1.14 Tuổi thọ của kết cấu bê tông cốt thép theo mô hình của Tuuti [103] 35

Hình 2.1 Xác định chiều sâu cacbonat hóa của mặt đường BTXM 44

Hình 2.2 Thí nghiệm độ thấm ion clo của các mẫu bê tông 49

Hình 2.3 Công tác khoan lấy mẫu bê tông để xác định hàm lượng clo theo chiều sâu 52

Hình 2.4 Đường cong hồi qui của công trình mặt đường BTXM 4 tuổi ở vùng khí quyển biển 55

Hình 2.5 Đường cong hồi qui của công trình trụ cầu 19 tuổi ở vùng thủy triều 55

Hình 2.6 Đường cong thể hiện nồng độ clo bề mặt bê tông theo thời gian của các kết cấu bê tông ở vùng khí quyển biển 57

Hình 2.7 Đường cong thể hiện nồng độ clo bề mặt bê tông theo thời gian của các kết cấu bê tông ở vùng thủy triều 57

Hình 2.8 Hệ số khuyếch tán ion clo ở 28 ngày của mặt đường BTXM ở khu vực Quảng Nam – Đà Nẵng 61

Hình 2.9 Quan hệ giữa tuổi thọ của mặt đường BTXM ở khu vực Quảng Nam – Đà

Nẵng do xâm nhập ion clo và chiều dày lớp bê tông bảo vệ 62

Hình 3.1 Thử độ sụt của các hỗn hợp bê tông 92

Hình 3.2 Công tác đúc và bảo dưỡng các mẫu bê tông 92

Hình 3.3 Thí nghiệm kéo uốn và nén các mẫu bê tông 93

Hình 3.4 Biểu đồ phát triển cường độ kéo uốn của các loại BTXM 99

Hình 3.5 Quan hệ giữa cường độ kéo uốn và tỉ lệ N/CKD của các loại BTXM 99

Hình 3.6 Biểu đồ phát triển cường độ nén của các loại BTXM 99

Hình 3.7 Quan hệ giữa cường độ nén và tỉ lệ N/CKD của các loại BTXM 100

Hình 3.8 Đo độ giãn nở của các mẫu bê tông theo thời gian ngâm trong dung dịch Natri sun phát 10% 106

Hình 3.9 Độ giãn nở của các loại BTXM khi ngâm trong dung dịch sun phát 107

Hình 3.10 Quan hệ giữa tỉ lệ N/CKD và độ giãn nở sun phát ở 28 tuần ngâm của các loại BTXM 107

Hình 3.11 Tỉ số  L/  L0MS0TB của các loại BTXM 108

Hình 3.12 Độ thấm ion clo ở 28 và 56 ngày của các loại bê tông xi măng 110

Hình 3.13 Tỉ số Qtb/QtbĐC ở 28 và 56 ngày của các loại bê tông xi măng 111

Hình 4.1 Các biến cố liên quan đến tuổi thọ của công trình [58] 114

Hình 4.2 Quan hệ giữa tỉ lệ N/CKD và hệ số khuyếch tán ion clo D28 của bê tông 123

Hình 4.3 Quan hệ giữa tỉ lệ N/CKD và tuổi thọ của mặt đường BTXM do xâm nhập ion clo ở vùng khí quyển biển 126

Hình 4.4 Tuổi thọ của mặt đường BTXM do xâm nhập ion clo ở vùng khí quyển biển 127

DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT, CÁC KÍ HIỆU

A Hệ số phụ thuộc nồng độ clo bề mặt bê tông CS và nồng độ clo tới

hạn gây ăn mòn cốt thép CCR, điều kiện thi công và môi trường AASHTO American Association of State Highway and Transportation

Officials (Hiệp hội những người làm vận tải và đường bộ Hoa Kỳ)

ACI American concrete institute (Viện bê tông Hoa Kỳ)

ASTM American society of testing materials (Hiệp hội Vật liệu và Thử

nghiệm Hoa Kỳ)

B Khối lượng 1 m3 bê tông tươi

BS British standards (Tiêu chuẩn Anh Quốc)

Dt Hệ số khuyếch tán ion clo ở thời điểm t

D28 Hệ số khuyếch tán ion clo ở 28 ngày

f’cku Cường độ kéo uốn đặc trưng

f’cn Cường độ nén đặc trưng

hc Chiều sâu cacbonat hóa của bê tông xi măng

kc Hệ số kể đến điều kiện bảo dưỡng của bê tông

ke Hệ số kể đến điều kiện môi trường tiếp xúc

kn Hệ số cho giá trị đặc trưng 5%

Kca Hệ số cacbonat hóa

Lc Chiều dài của thanh chuẩn

Lt Chiều dài của mẫu ở độ tuổi t

L0 Chiều dài ban đầu của mẫu

LRFD Thiết kế theo hệ số tải trọng và sức kháng (Load and Resistance

tbđ Thời gian bắt đầu ăn mòn cốt thép

TCVN Tiêu chuẩn Việt Nam

x Chiều dày lớp bê tông bảo vệ cốt thép

xc Số đọc trên đồng hồ khi đo chiều dài của thanh chuẩn

xm Số đọc trên đồng hồ khi đo chiều dài của mẫu bê tông

c Khối lượng riêng của cát

đ Khối lượng riêng của đá

MS Khối lượng riêng của muội silic

N Khối lượng riêng của nước

TB Khối lượng riêng của tro bay

x Khối lượng riêng của xi măng

MỞ ĐẦU

1 Đặt vấn đề

Mặt đường bê tông xi măng (BTXM) được xây dựng đầu tiên tại Bellefontaine, Ohio vào năm 1891 bởi George Bartholomew, hơn 100 năm sau đó, một phần mặt đường của Ông vẫn còn được sử dụng Tuy nhiên, thời đó loại mặt đường này chưa có tên gọi là bê tông xi măng Đến năm 1913, 37 km (23 dặm) của mặt đường bê tông chỉ với chiều rộng 2,70 m (9,0 foot), dày 125 mm (5 inch) được xây dựng gần Pine Bluff, Arkansas với chi phí một đô la mỗi foot (0,305 m), đây được xem là mặt đường bê tông xi măng đúng nghĩa đầu tiên trên thế giới [90] Sau khoảng hơn 100 năm phát triển cho đến nay, mặt đường bê tông đã có những phát triển vượt bậc và trở thành mặt đường quan trọng trong hệ thống đường giao thông ở các nước trên thế giới, đặc biệt là đường cao tốc

Ở một số nước khu vực Châu Á như Trung Quốc, Thái Lan mặt đường BTXM chiếm từ 30-40% tổng chiều dài các đường cao tốc và trục chính Tại Hàn Quốc, mặt đường BTXM chiếm khoảng 65% tổng chiều dài các đường cao tốc Tại Nhật Bản, khoảng 50-60% là mặt đường BTXM, những năm gần đây tỉ lệ mặt đường BTXM ở Nhật Bản đã giảm đáng kể vì những lí do khác nhau, trong đó có lý do nâng cấp hệ thống đường bê tông cũ Tại Mỹ, khoảng 60% hệ thống đường Liên Bang là BTXM, đặc biệt là khu vực đô thị nơi được dự báo về một lưu lượng giao thông rất lớn, BTXM được lựa chọn là giải pháp chính cho mặt đường Tại Bỉ, đối với đường cao tốc, mặt đường BTXM chiếm khoảng 40%; đối với đường tỉnh lộ, mặt đường BTXM chiếm khoảng 37% [17]

Ở Việt Nam, ở thập niên 80 của thế kỉ 20, một số đoạn đường được xây dựng bằng mặt đường BTXM như Quốc Lộ 3 (đoạn Thái Nguyên – Bắc Cạn), Quốc Lộ 14 (đoạn Tiên Yên – Móng Cái) và mãi đến đầu thế kỉ 21 loại mặt đường này mới thực sự có điều kiện để xây dựng Tuy nhiên, cho đến nay mặt đường BTXM vẫn chiếm một tỉ lệ khá nhỏ, khoảng 3% mạng lưới đường và 5% hệ thống đường Quốc Lộ [17] Hiện nay, Việt Nam đã và đang thực hiện một loạt các dự án đường BTXM kể cả các đường cao tốc và tương lai gần tỉ lệ mặt đường BTXM sẽ tăng lên đáng kể

Mặt đường BTXM là loại mặt đường có những ưu việt đặc biệt về tuổi thọ (gấp 2-4 lần so với bê tông nhựa), về khả năng chịu lực, về tính thích ứng (với điều kiện khí hậu

và các loại xe), tiết kiệm nhiên liệu xe chạy, hạn chế tối đa ảnh hưởng đến môi trường,

ít biến động giá cả so với nhựa, tận dụng được các nguồn vật liệu địa phương, ít duy tu bảo dưỡng Về mặt giá thành chi phí xây dựng ban đầu mặt đường BTXM thường cao hơn mặt đường bê tông nhựa nhưng giá thành qui đổi lại rẻ hơn 15-25% [17, 63] Gjørv nhận định rằng, những vấn đề liên quan đến độ bền đã được đánh giá thấp trong nhiều năm Trọng tâm chính được xác định là tính chất cơ học và khả năng chịu lực của kết cấu, trong khi thiết kế độ bền, chất lượng thi công và quản lý vòng đời đã

bị lãng quên Ít khi chủ đầu tư của các kết cấu bê tông đưa ra yêu cầu đặc biệt với độ bền và chất lượng lâu dài với công trình của họ [59]

Trên thế giới, vấn đề thiết kế tuổi thọ của các công trình bê tông và bê tông cốt thép

đã được bắt đầu nghiên cứu từ đầu thập kỉ 80 của thế kỉ 20 và đến nay vấn đề này cũng vẫn đang tiếp tục nghiên cứu Ở Việt Nam, vấn đề này gần đây cũng đã có một số tác giả nghiên cứu, tuy nhiên vẫn chưa được nghiên cứu sâu và còn nhiều hạn chế

Khu vực duyên hải Nam Trung bộ chiếm một diện tích rất lớn của Việt Nam và là nơi có bờ biển trải dài từ thành phố Đà Nẵng đến Bình Thuận Nơi đây thuộc vùng khí hậu nhiệt đới nóng - ẩm ướt và chịu ảnh hưởng trực tiếp của khí hậu biển, khu vực duyên hải Nam Trung bộ cũng là nơi chịu ảnh hưởng nặng nề của tác động biến đổi khí hậu như: sự gia tăng nhiệt độ, sự xâm nhập mặn do mực nước biển dâng, bão, lũ [4, 5] Việc nghiên cứu độ bền sun phát và ion clo của bê tông xi măng mặt đườngtrong môi trường khí hậu khắc nghiệt khu vực duyên hải Nam Trung bộ, từ đó đề xuất biện pháp làm tăng độ bền cho bê tông xi măng mặt đường để kéo dài tuổi thọ đồng thời giảm được các chi phí duy tu bảo dưỡng thường xuyên và định kỳ, đảm bảo an toàn trong quản lý và sử dụng là vấn đề mang tính khoa học, kinh tế và thực tiễn

Do vậy đề tài "Nghiên cứu độ bền sun phát và ion clo của bê tông xi măng mặt

đường ở khu vực duyên hải Nam Trung bộ " có tính thời sự và cấp thiết

2 Phạm vi nghiên cứu

Đề tài nghiên cứu tập trung vào các vấn đề sau:

- Khảo sát, đánh giá độ bền (cacbonat hóa, độ thấm ion clo) của một số mặt đường BTXM đã xây dựng ở khu vực Quảng Nam - Đà Nẵng

- Xác định nồng độ clo bề mặt bê tông theo thời gian của một số công trình bê tông cốt thép (BTCT) đã xây dựng ở khu vực Đà Nẵng

- Ảnh hưởng của các phụ gia khoáng tro bay (TB) và muội silic (MS) đến các đặc trưng cường độ, độ bền sun phát và độ thấm ion clo của các loại bê tông cấp 30, 40 và

50 MPa

- Dự báo tuổi thọ (thời gian bắt đầu ăn mòn cốt thép) của mặt đường BTXM sử dụng các loại bê tông mới (có phụ gia khoáng TB và MS) do xâm nhập ion clo ở môi trường khí quyển biển

3 Cấu trúc của luận án

Gồm có phần Mở đầu, tiếp theo là 4 Chương, phần Kết luận và Kiến nghị, Danh mục các công trình của tác giả đã công bố, Danh mục tài liệu tham khảo Cụ thể là:

- Mở đầu

- Chương 1: Tổng quan

- Chương 2: Khảo sát đánh giá tốc độ cacbonat hóa, độ thấm ion clo và nồng độ clo

bề mặt của một số kết cấu bê tông khu vực Quảng Nam - Đà Nẵng

- Chương 3: Nghiên cứu thực nghiệm xác định các đặc trưng cường độ, độ bền sun

phát và độ thấm ion clo của bê tông

- Chương 4: Dự báo tuổi thọ của mặt đường bê tông xi măng sử dụng các loại bê tông mới ở khu vực Quảng Nam – Đà Nẵng do xâm nhập ion clo

- Kết luận và kiến nghị

- Danh mục các công trình của tác giả đã công bố

- Tài liệu tham khảo

4 Những đóng góp mới của đề tài

- Đánh giá độ bền và tuổi thọ (cacbonat hóa và xâm nhập ion clo) của mặt đường BTXM đã xây dựng ở khu vực Quảng Nam – Đà Nẵng do tác động của khí hậu biển

- Xây dựng công thức xác định nồng độ clo bề mặt bê tông theo thời gian của các công trình BTCT ven biển khu vực Đà Nẵng

- Thiết kế thành phần bê tông xi măng cấp 30, 40 và 50 MPa sử dụng phụ gia khoáng TB và MS theo yêu cầu cường độ và độ bền

- Thực nghiệm đánh giá độ bền sun phát, độ chống thấm ion clo của các cấp bê tông

xi măng 30, 40 và 50 MPa sử dụng phụ gia khoáng TB và MS

- Dự báo tuổi thọ (thời gian bắt đầu ăn mòn cốt thép) của mặt đường BTXM sử dụng các loại bê tông mới (có phụ gia khoáng TB và MS) do xâm nhập ion clo ở môi trường khí quyển biển

5 Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài

Luận án có ý nghĩa khoa học và thực tiễn, có tính mới, lần đầu tiên nghiên cứu tính toán, dự báo tuổi thọ của mặt đường BTXM có cốt thép trong các điều kiện môi trường biển khu vực duyên hải Nam Trung bộ có xét đến ảnh hưởng của thời gian đến nồng độ clo bề mặt bê tông Luận án đã xác định được ảnh hưởng có lợi của các phụ gia khoáng MS và TB đến các đặc trưng cường độ cũng như độ bền sun phát và độ chống thấm ion clo của bê tông Luận án góp phần làm rõ hơn vai trò của MS và TB trong bê tông xi măng chống lại sự xâm nhập của ion clo, làm tăng tuổi thọ của các công trình ven biển khu vực duyên hải Nam Trung bộ do xâm nhập ion clo

Luận án cung cấp một tổng quan, các thông số để dự báo tuổi thọ (thời gian bắt đầu

ăn mòn cốt thép) của mặt đường BTXM trong các điều kiện môi trường biển khu vực Duyên hải Nam Trung bộ, là tài liệu tham khảo cho những nhà nghiên cứu về độ bền của kết cấu bê tông ở môi trường biển

Chương 1: TỔNG QUAN 1.1 KHÁI QUÁT VỀ VÙNG DUYÊN HẢI NAM TRUNG BỘ

1.1.1 Các đặc trưng khí hậu vùng duyên hải Nam Trung bộ

Vùng Duyên hải Nam Trung bộ bao gồm toàn bộ vùng đồng bằng và đồi núi thấp dưới 100m thuộc các tỉnh, thành phố từ Đà Nẵng đến Bình Thuận Khí hậu cơ bản là nhiệt đới, gió mùa, không có mùa đông lạnh Nhiệt độ thấp nhất thường không dưới

100C, nhiệt độ cao nhất có thể vượt 400C Do ảnh hưởng của biển, biên độ nhiệt độ ngày cũng như năm đều nhỏ Phần ven biển chịu ảnh hưởng trực tiếp của bão [6] Các đặc trưng khí hậu vùng duyên hải Nam Trung bộ như sau:

- Độ ẩm tương đối trung bình năm 76%-84%, nhìn chung độ ẩm trong năm khá đồng đều trên các tỉnh của vùng [6]

- Lượng mưa trung bình năm dao động 1250-2450 mm, tập trung từ tháng 9 đến tháng 1 năm sau (chiếm 65 – 70% lượng mưa cả năm) [6]

- Nhiệt độ không khí trung bình năm từ 25,80 – 27,90°C Nhiệt độ không khí thấp nhất và cao nhất trung bình năm từ 23,0-26,00C và từ 29,30-31,00C Biên độ ngày của nhiệt độ không khí trung bình năm từ 4,0-8,00C [6]

1.1.2 Tác động của biến đổi khí hậu

Theo số liệu quan trắc, biến đổi của các yếu tố khí hậu ở Việt Nam có những điểm đáng lưu ý sau:

- Nhiệt độ: Trong khoảng 50 năm qua (1951 - 2000), nhiệt độ trung bình năm ở Việt Nam đã tăng lên 0,7oC

- Lượng mưa: Trên từng địa điểm, xu thế biến đổi của lượng mưa trung bình năm trong 9 thập kỷ vừa qua (1911- 2000) không rõ rệt theo các thời kỳ và trên các vùng khác nhau: có giai đoạn tăng lên và có giai đoạn giảm xuống [4]

- Mực nước biển dâng: Số liệu mực nước biển đo đạc từ năm 1993-2010 cho thấy mực nước dâng cho dải ven bờ Việt Nam tăng khoảng 2,9mm/năm, khu vực ven biển Trung Trung bộ và Tây Nam bộ có xu hướng tăng mạnh hơn [5]

Nhận định xu thế biến đổi khí hậu ở Việt Nam như sau [4]:

- Nhiệt độ trung bình ở Việt Nam có thể tăng lên 30C vào năm 2100

- Lượng mưa có xu thế biến đổi không đồng đều giữa các vùng, có thể tăng (từ 0% đến 10%) vào mùa mưa và giảm (từ 0% đến 5%) vào mùa khô Tính biến động của mưa tăng lên

- Mực nước biển trên toàn dải bờ biển Việt Nam có thể dâng lên 1 m vào năm 2100

1.1.3 Phân vùng môi trường biển Việt Nam

Môi trường biển có thể phân thành 4 vùng có ranh giới khá rõ sau đây như hình 1.1

Hình 1.1 Phân vùng môi trường biển Việt Nam [9]

1/ Vùng hoàn toàn ngập trong nước biển

2/ Vùng nước thủy triều lên xuống (bao gồm cả phần sóng đánh)

3/ Vùng khí quyển trên và ven biển

4/ Vùng đất nước ngầm bờ biển: cách mép nước từ 0 - 0,25 km

Tính chất xâm thực của các vùng thể hiện ở các điểm sau:

1.1.3.1 Vùng ngập nước

Nước biển Việt Nam có thành phần hóa học, độ mặn và tính xâm thực tương đương với nước biển các nơi khác trên thế giới, chứa khoảng 3,5% tổng các loại muối hòa tan, cụ thể là: 2,37% NaCl; 0,32% MgCl2; 0,22% MgSO4; 0,13% CaSO4; 0,02% KHCO3 và một lượng nhỏ CO2 và O2 hòa tan; Độ PH của nước biển là 8,0 [9] Thành phần hóa học nước biển khu vực Đà Nẵng được phân tích và ghi ở bảng 1.1

Bảng 1.1 Thành phần hóa học của nước biển khu vực Đà Nẵng

2-Na+ Mg2+ Ca2+ K+ Tổng muối, % g/kg nước biển 19,20 2,70 10,67 1,28 0,41 0,39 3,47

Bảng 1 cho thấy nước biển khu vực Đà Nẵng tương tự các nơi khác trên thế giới

0 Km

1.1.3.2 Vùng khí quyển trên và ven biển

Muối trong khí quyển vùng biển kết hợp với độ ẩm cao gây ăn mòn mạnh các kết cấu thép, kết cấu bê tông cốt thép Phân bố độ muối khí quyển cho các phần lãnh thổ Việt Nam như sau: Miền Bắc (từ 16 độ vĩ bắc trở ra): [Cl-] = 0,9854 X-0,17, sai số  16%; Miền Nam (từ 16 độ vĩ bắc trở vào): [Cl-] = 3,9156 X-0,22, sai số  23%; Với X: Khoảng cách từ biển vào bờ (km), [Cl-]: Độ muối khí quyển, mgCl-/m2.ngày [6]

1.1.3.3 Vùng thủy triều lên xuống và sóng đánh

Phần trên đã phân tích kỹ tính chất xâm thực của môi trường nước biển, khí quyển trên biển và ven biển Trong vùng thủy triều lên xuống và sóng đánh tính chất xâm thực của môi trường được tăng cường thêm bởi các yếu tố sau:

- Quá trình khô ướt xảy ra thường xuyên và liên tục theo thời gian, tác động từ ngày này qua ngày khác lên bề mặt kết cấu đã làm tăng nhanh mức tích tụ ion Cl-, H2O và

O2 từ nước biển và không khí vào trong bê tông thông qua quá trình khuyếch tán nồng

độ và lực hút mao dẫn

- Ngoài các quá trình ăn mòn hóa học và điện hóa, trên bề mặt các kết cấu còn xảy

ra ăn mòn do sinh vật gây nên bởi các loại hà và sò biển, bị bào mòn cơ học do sóng biển nhất là vào những ngày dông bão và mùa gió lớn

Do đặc điểm như vậy nên vùng thủy triều lên xuống và sóng đánh được xem là vùng xâm thực rất mạnh đối với BTCT, xâm thực mạnh đối với bê tông [9]

1.2 CÁC TÍNH CHẤT THẤM, ĐỘ BỀN VÀ CÁC CƠ CHẾ SUY GIẢM ĐỘ BỀN CỦA BÊ TÔNG XI MĂNG

1.2.1 Các vấn đề chung

1.2.1.1 Khái niệm bê tông xi măng

Bê tông là loại vật liệu đá nhân tạo nhận được sau khi làm rắn chắc hỗn hợp bê tông Hỗn hợp bê tông (bê tông tươi) có thành phần được lựa chọn hợp lý gồm xi măng, nước, cốt liệu (cát, đá dăm hay sỏi) và các chất phụ gia

Trong bê tông, cốt liệu đóng vai trò là bộ khung chịu lực để tăng cường các đặc tính

cơ học cho bê tông đồng thời làm giảm giá thành cho bê tông Hỗn hợp bê tông và nước bao bọc xung quanh các hạt cốt liệu đóng vai trò là chất dính kết đồng thời lấp đầy khoảng trống giữa các hạt cốt liệu [15]

1.2.1.2 Phân loại bê tông xi măng

Bê tông xi măng có nhiều loại, tùy theo yêu cầu có thể phân loại như sau:

* Theo cường độ (Mẫu trụ, đường kính 15 cm, chiều cao 30 cm, tuổi 28 ngày)

- Bê tông thường: có cường độ nén từ 15-60 MPa

- Bê tông cường độ cao: có cường độ nén từ 60-100 MPa

- Bê tông cường độ rất cao: có cường độ nén từ 100-150 MPa [15]

- Bê tông chất lượng cao: là bê tông cường độ cao và có các tính năng về độ bền và biến dạng vượt trội so với bê tông thường Cụ thể là có cường độ nén từ 60-100 Mpa,

mô đun đàn hồi tăng khoảng 30%, cường độ chịu kéo ép chẻ và mô đun gãy cao, độ thấm ion clo thấp, từ biến giảm đến 40% [14]

* Theo cốt liệu

Gồm có bê tông cốt liệu đặc, bê tông cốt liệu rỗng, bê tông cốt liệu đặc biệt, bê tông kêramđit, bê tông cốt liệu kim loại (chống phóng xạ)

* Theo khối lượng thể tích

- Bê tông đặc biệt nặng: có khối lượng thể tích từ 3,0-5,0 g/cm3, chế tạo từ cốt liệu đặc biệt nặng dùng cho những kết cấu đặc biệt

- Bê tông nặng: có khối lượng thể tích từ 2,0-2,5 g/cm3, chế tạo từ cát, đá tự nhiên, dùng cho kết cấu chịu lực

- Bê tông nhẹ: có khối lượng thể tích từ 0,9-1,8 g/cm3

- Bê tông đặc biệt nhẹ: có khối lượng thể tích dưới 0,5 g/cm3, dùng trong các kết cấu đặc biệt

- Bê tông dùng cho mặt đường, sân bay, lát vỉa hè

- Bê tông dùng cho kết cấu bao che (thường là bê tông nhẹ)

- Bê tông có công dụng đặc biệt như bê tông chịu nhiệt, chịu axit, bê tông chống phóng xạ [15]

1.2.1.3 Cấu trúc của bê tông xi măng

Bê tông là một loại vật liệu composit không đồng nhất, các tính chất của nó phụ thuộc vào 3 cấp cấu trúc sau:

- Cấu trúc vĩ mô (macro): là tỉ lệ lớn, xét các ứng xử cơ học để suy ra cường độ của

vật liệu Bê tông được xem là 3 pha: cốt liệu, hồ xi măng và cấu trúc vùng chuyển tiếp Khi tính toán theo mô hình cấu trúc này có thể giả thuyết bê tông là vật liệu đàn hồi và tính toán theo các công thức của sức bền vật liệu

- Cấu trúc meso: là tỉ lệ milimet, trong đó các hạt cát được phân biệt với các hạt xi

măng và hạt cốt liệu Việc quan sát trên kính hiển vi hoặc kính hiển vi điện tử quét với

độ phóng đại 300-1000 lần cho thấy các khuyết tật của cấu trúc là các vết nứt và các vùng bị phá hủy Theo mô hình Meso, bê tông được tính toán như các vật liệu phi tuyến

- Cấu trúc vi mô: là tỉ lệ 1/100 mm để quan sát các hydrat (Canxi silicat hydrat, Canxi hydroxit, .), các hạt bụi, các hạt clinke chưa thủy hóa, các vết nứt vi mô, sự định hướng của các hạt Canxi hydroxit trong vùng chuyển tiếp, mặt tiếp xúc giữa đá xi măng và cốt liệu, sự biến đổi của các hydrat trong môi trường xâm thực (ettringite, phản ứng kiềm cốt liệu) [14]

a Cấu trúc cốt liệu lớn

Cấu trúc cốt liệu lớn tạo nên khung chịu lực phụ thuộc cường độ bản thân cốt liệu lớn, tính chất cấu trúc (diện tiếp xúc giữa các hạt cốt liệu) và cường độ liên kết giữa các hạt Tuy nhiên, thường cường độ bản thân của cốt liệu lớn là cao nên ta loại ra khỏi diện yếu tố ảnh hưởng Trong việc chế tạo hỗn hợp bê tông luôn mong muốn xây dựng một mô hình hỗn hợp bê tông trong đó các hạt cốt liệu lớn tiếp xúc nhiều chiều với nhau và có hồ kết dính vữa xi măng liên kết giữa chúng Xây dựng mô hình này nhằm đưa cấu trúc cốt liệu lớn trở thành cấu trúc chính, quyết định tính chất cấu trúc

vi mô của bê tông và quyết định tính chất chịu lực hỗn hợp của bê tông Lúc này cấu trúc của vữa xi măng chuyển xuống thứ yếu và chỉ có tính chất liên kết Về mặt chịu lực vữa xi măng chỉ chịu lực tương tác do liên kết giữa các hạt cốt liệu lớn trong bộ khung mà không chịu lực nội tạng trong lòng nó Cách xây dựng mô hình cấu trúc bê

tông như vậy có khả năng tạo ra bê tông cường độ rất cao và giảm được những tác động vô cùng phức tạp của cấu trúc hồ kết dính vữa xi măng với tính chất cấu trúc vi

mô của bê tông Tuy nhiên mô hình đưa ra này chỉ thuần túy lí thuyết mà rất khó hay không có khả năng tạo được trên thực tế nhưng nó đưa ra nguyên tắc cho tất cả các

công nghệ bê tông là tăng độ mạnh của cấu trúc bộ khung xương cốt liệu trên cơ sở:

- Tăng diện tiếp xúc giữa các hạt cốt liệu lớn (giữa hai hạt với nhau và của các hạt

xung quanh một hạt)

- Không gian hở trong bộ khung xương là nhỏ nhất

- Chiều dày của liên kết hồ xi măng với các hạt cốt liệu là hiệu quả (chỉ nhằm mục

đích liên kết)

Vậy các yếu tố ảnh hưởng cơ bản tới cấu trúc bê tông là cốt liệu (kích thước, tính chất bề mặt) và tuân theo điều kiện, phương pháp thiết kế thành phần bê tông (cấp phối), đặc tính kĩ thuật của cốt liệu, kĩ thuật tác động cơ học Ngoài ra còn có yếu tố quan trọng đó là tính linh động của dung dịch hồ vữa xi măng (khi dung dịch hồ vữa xi măng càng linh động dẻo thì cấu trúc cốt liệu lớn càng mạnh) Nhưng toàn bộ tính chất phức tạp trong cấu trúc vi mô của bê tông lại nằm ở liên kết giữa vữa xi măng với các

cốt liệu lớn [14]

b Cấu trúc vi mô của đá xi măng

Các hạt xi măng khi thủy hóa bao quanh các hạt là lớp nước và quá trình thủy hóa thực hiện từ ngoài hạt vào bên trong ngay tức khắc tạo lớp màng kết dính bao quanh hạt xi măng mà bản chất là liên kết ion giữa phần tử hỗn hợp xi măng và phân tử nước, lớp màng này dày theo thời gian thủy hóa và ngoài nó là lớp nước tự do Tuy nhiên, lớp màng liên kết này lại cản trở sự thâm nhập của nước và cùng với thời gian tính linh động của các phân tử nước và xi măng giảm dần, do vậy làm giảm tốc độ thủy hóa Lớp liên kết hạt xi măng - nước dày dần cùng với nó lớp nước tự do bao ngoài hạt xi măng mỏng dần, thêm vào đó sự linh động của các hạt xi măng một phần do màng nước gây tính nhớt cho các hạt (có thể tính nhớt này được bổ sung do tác động của phụ gia) một phần do tác động của việc trộn hay tác động cơ học có điều kiện gần nhau dần dần hình thành liên kết và xóa bỏ ranh giới giữa các hạt xi măng Màng liên kết xi măng nước bao quanh các hạt cốt liệu nhỏ và kéo chúng vào hình thành cấu trúc hồ kết

dính vữa xi măng Có thể mô tả tóm tắt cấu trúc vi mô của vữa xi măng trong hỗn hợp

bê tông như sau:

Các hạt xi măng liên kết với nước (liên kết ion) tạo nên lớp dính (bao quanh hạt và dày theo tiến trình thủy hóa) làm cơ sở để liên kết các hạt xi măng với nhau (liên kết

cơ học) xóa bỏ ranh giới các hạt và đồng thời chúng còn liên kết cơ học với cốt liệu nhỏ (cát) tạo nên cấu trúc con vữa xi măng liên kết cấu kết dần và tạo nên cấu trúc ổn định có tính chất cơ, lí Nhưng phản ứng thủy hóa vẫn tiếp tục xảy ra, do vậy trong cấu trúc vẫn tồn tại bộ phận lõi hạt là khối xi măng khan và không gian, giữa các hạt xi

măng liên kết là khoảng rỗng có chứa nước

Các yếu tố tham gia vào cấu trúc:

- Vai trò của hạt cát: Mới nhìn có thể nghĩ sự tham gia của hạt cát là thừa, nhưng nó

lại có vai trò hết sức quan trọng trong phần tăng cường ổn định không gian của các hạt

xi măng liên kế, nó có tác dụng như chất hoạt tính tăng cường sự linh động của các hạt

xi măng và phần tử nước kích thích quá trình thủy hóa, đồng thời dưới tác động cơ học

và sự linh động của bản thân trong dung dịch huyền phù (giai đoạn nước liên kết keo giữa các hạt xi măng) làm giảm bớt sự cản trở của màng liên kết xi măng nước tạo cho

sự thâm nhập của phần tử nước vào bên trong hạt để thủy hóa tiếp Do đó tác dụng

cuối cùng là giảm lỗ rỗng trong cấu trúc, tăng độ bền, khả năng chịu lực của cấu trúc

- Các hạt xi măng thủy hóa: Tuy rằng lực dính kết giữa các hạt xi măng tùy thuộc

phần lớn vào loại xi măng (hàm lượng các thành phần trong xi măng), nhưng mức độ linh động của các hạt xi măng - nước phá vỡ thế cân bằng tạm thời làm cho các hạt xít nhau hơn tạo nên thế cân bằng ổn định hơn và giảm các lỗ rỗng, lực dính các hạt cũng cao hơn Thời điểm và khoảng thời gian tác động cơ học có ảnh hưởng đến lực dính này Ngoài ra tốc độ, mức độ phản ứng thủy hóa ảnh hưởng tới hàm lượng hạt xi măng được thủy hóa, mong muốn hết thời gian bảo dưỡng bê tông hoặc thời gian bắt đầu chịu lực thì hàm lượng xi măng trong lõi hạt xi măng chưa được thủy hóa là nhỏ nhất

Đây cũng là một yếu tố để tăng cường độ của đá xi măng

* Một số đặc điểm của phản ứng thủy hóa hạt xi măng:

- Là phản ứng chậm dần và kéo dài rất lâu Một số lí thuyết còn nêu rằng đây là loại phản ứng rất khó kết thúc (điều này lí giải phần nào cường độ của bê tông tăng dần

theo thời gian (không xét đến ảnh hưởng của môi trường, điều kiện chịu lực)

- Theo thí nghiệm, người ta thấy rằng hàm lượng xi măng chưa thủy hóa sau 28

ngày khoảng dưới 20% hàm lượng toàn bộ hạt

- Đây là phản ứng có sinh nhiệt lượng (chủ yếu là do thành phần Aluminat tricalcium 3CaO.Al2O3 (C3A), Tricanxi silicat 3CaO.SiO2 (C3S) thủy hóa sinh ra) Nếu

bỏ qua tác động của bên ngoài thì tổng lượng nhiệt phụ thuộc vào loại xi măng và

Lỗ rỗng luôn tồn tại trong cấu trúc vữa xi măng và ảnh hưởng rất lớn tới độ bền của

cấu trúc này Phải tìm cách giảm tối đa lượng lỗ rỗng Các nguyên nhân tạo lỗ rỗng:

- Do tính không thể xít được của các hạt xi măng khi liên kết

- Do lượng nước tự do (lượng nước còn lại sau phản ứng thủy hóa và thường chiếm

10 - 20% tổng lượng nước sử dụng, tùy theo loại bê tông)

- Do hàm lượng bọt khí tạo ra trong quá trình trộn

Như vậy nguyên tắc giảm độ rỗng từ xi măng là:

+ Giảm đối đa lượng nước không cần cho thủy hóa

+ Tạo độ linh động cho các hạt xi măng khi thủy hóa

+ Tác dụng cơ học hợp lí để giảm trở lực của liên kết xi măng nước lúc đầu giúp các hạt xít nhau hơn Lỗ rỗng được tồn tại dưới hai dạng: lỗ rỗng trong khoảng không

giữa các hạt và lỗ rỗng tồn tại dưới dạng các màng lưới mao dẫn

Tính chất cấu trúc vữa - xi măng được biểu hiện qua liên kết giữa các hạt xi măng

và hàm lượng hạt xi măng được thủy hóa Lỗ rỗng trong cấu trúc là luôn luôn tồn tại ngay cả khi lượng nước sử dụng là tối thiểu (chỉ cần cho thủy hóa toàn bộ lượng xi măng), lượng lỗ rỗng này sẽ tăng một cách tự nhiên theo mức độ tăng lượng nước

ngoài thủy hóa và sự tăng hàm lượng xi măng cũng như kích thước hạt xi măng

Cấu trúc vi mô của vữa xi măng đóng vai trò quan trọng trong việc tạo lập cấu trúc

bê tông và trong bê tông cường độ cao tác động của nó với cấu trúc bê tông còn cao

hơn cả tác động của cấu trúc cốt liệu lớn

Muốn tăng độ mạnh của cấu trúc này phải tăng độ linh động của bản thân các hạt xi măng, tác động cơ học hợp lí để tăng khả năng xếp xít của các hạt xi măng làm giảm hàm lượng lỗ rỗng tự nhiên Giảm tối đa lượng nước thừa không cần cho thủy hóa cho toàn bộ lượng xi măng, giảm lượng bọt khí tạo thành, kích thích phản ứng thủy hóa

sao cho lượng lõi xi măng khan của hạt là ít nhất khi hết giai đoạn bảo dưỡng [14]

c Cấu trúc của vùng tiếp giáp của vữa xi măng và cốt liệu

Ở vùng tiếp giáp giữa vữa xi măng và cốt liệu tồn tại các lớp vữa xi măng áp sát bề mặt cốt liệu, các vùng chứa nước do sự tách nước bên trong của vữa xi măng, các lỗ

rỗng do nước bốc hơi và các hạt CaO còn lại

Ở vùng tiếp giáp tồn tại lực dính giữa đá xi măng và cốt liệu Cấu trúc tốt nhất ở vùng này tạo ra lực dính kết tối đa và có lỗ rỗng tối thiểu Sự thay đổi độ ẩm ở vùng tiếp giáp chính là các nguyên nhân gây ra các biến dạng theo thời gian cho bê tông Loại bê tông thiết kế với tỉ lệ N/X thấp, nhào trộn, đầm lèn hợp lí sẽ tạo ra vùng tiếp giáp tốt nhất và tạo ra lực dính cao nhất Vùng tiếp giáp này là vùng quan trọng nhưng yếu nhất của cấu trúc bê tông Với bê tông truyền thống vết nứt đầu tiên trong bê tông xuất hiện tại đây và phát triển trong cấu trúc vữa xi măng đã đông cứng Với bê tông cường độ cao do lượng nước sử dụng ít hơn và do tác động của muội silic hoặc tro bay, cấu trúc vùng tiếp giáp được cải thiện đáng kể, không có CaO tự do, độ ẩm thấp,

lực dính được nâng cao tạo ra chất lượng mới cho bê tông xi măng [14]

1.2.2 Các tính chất thấm của bê tông xi măng

Tính chất thấm được sử dụng phổ biến để chỉ việc vận chuyển dòng chất lỏng gây ra bởi chênh lệch độ ẩm, áp suất thủy tĩnh, áp lực, nhiệt độ và nồng độ của hóa chất, thường được mô tả dưới dạng hấp phụ, khuyếch tán, hấp thụ và thấm

1.2.2.1 Quá trình vận chuyển

a Hấp phụ

Hấp phụ là một quá trình mà các phân tử bám vào bề mặt rắn trong bê tông (các dải Canxi silicat hydrat 3CaO.2SiO2.3H2O (CSH)) hoặc bằng các lực vật lý Van der Waals, hoặc là kết quả của sự hình thành các liên kết hóa học [51]

b Khuyếch tán

Khuyếch tán là chuyển động của các phân tử tự do hoặc các ion trong dung dịch lỗ rỗng nảy sinh từ một dòng chảy từ các khu vực có nồng độ cao hơn đến các khu vực

có nồng độ thấp hơn [68] Chuyển động này có thể diễn ra theo hình thức khuyếch tán khí hoặc khuyếch tán ion Ví dụ điển hình cho khuyếch tán khí là sự khuyếch tán của khí cacbon dioxit vào bê tông có thể dẫn đến cacbonat hóa bê tông; trong khi đó các ví

dụ điển hình cho sự khuyếch tán ion là khuyếch tán ion clo có thể gây ra sự ăn mòn cốt thép trong bê tông

Khuyếch tán có thể là ổn định hoặc không ổn định Theo lý thuyết khác nhau được

sử dụng để mô tả hai tình trạng khuyếch tán, chúng được mô tả riêng biệt dưới đây

* Trạng thái khuyếch tán ổn định

Lý thuyết toán học của khuyếch tán trong một chất đẳng hướng được dựa trên giả thuyết rằng tỷ lệ vận chuyển một chất khuyếch tán thông qua một đơn vị diện tích tỷ lệ với gradient nồng độ chuẩn đo được với mặt cắt [55], được mô tả như sau:

* Trạng thái khuyếch tán không ổn định

Trạng thái khuyếch tán không ổn định còn được gọi là khuyếch tán tạm thời, nơi thông lượng dòng chảy có thể thay đổi Có một sự thay đổi nồng độ c tại vị trí x theo thời gian và phương trình cân bằng thường được gọi là định luật khuyếch tán thứ hai của Fick, như sau:

)x

cD(xx

c Hấp thụ

Hấp thụ là quá trình mà bê tông lấy một chất lỏng do hút mao dẫn trong lỗ rỗng để lấp vào không gian bên trong vật liệu [68] Tốc độ mà nó xảy ra được gọi là độ hấp thụ

d Độ thấm

Tính thấm của bê tông có thể được định nghĩa là tính chất đặc trưng mức độ dễ dàng đi vào và đi qua bê tông của một chất lỏng dưới một chênh lệch áp suất [68]

1.2.2.2 Các yếu tố ảnh hưởng đến tính chất thấm của bê tông xi măng

Các yếu tố có thể ảnh hưởng đến tính chất thấm của bê tông được thể hiện trong hình 1.2 [91]

Hình 1.2 Các yếu tố ảnh hưởng đến tính thấm của bê tông [91]

Trong phạm vi của nghiên cứu của luận án, ảnh hưởng của tỉ lệ nước – chất kết dính (N/CKD), loại và hàm lượng phụ gia khoáng được nghiên cứu

1.2.3 Độ bền của bê tông xi măng và các cơ chế suy giảm độ bền

1.2.3.1 Khái niệm về độ bền của bê tông xi măng

ĐÔ THẤM CỦA BÊ TÔNG

CÁC THÔNG SỐ MẪU

- Kích thước

- Độ ẩm, nhiệt độ

ĐỘ THẤM CỦA CÁC PHA THÀNH PHẦN

CÁC THÔNG SỐ TẢI TRỌNG

- Mức ứng suất

- Dạng vết nứt

ĐỘ RỖNG CỦA PHẦN CỐT LIỆU

Bê tông trước kia được coi là một vật liệu bền vững và không cần bảo trì Tuy nhiên bây giờ người ta chấp nhận rằng kết cấu bê tông không có một tuổi thọ vô thời hạn, tức

là nó bị suy thoái [84]

Theo Neville năm 2000 [85], Độ bền của Bê tông là "bê tông phù hợp cho các mục

đích mà nó được dự định, dưới các điều kiện dự kiến tiếp xúc và với tuổi thọ dự kiến trong suốt thời gian đó bê tông vẫn tiếp tục phục vụ"

Theo Bryant Mather [47], Bê tông bền là “bê tông chống lại các chất xâm thực trong môi trường mà có xu hướng làm cho nó suy thoái sớm khi không yêu cầu nỗ lực quá mức để bảo trì”

Theo ACI 201.2R-08 [29], Độ bền của bê tông xi măng được định nghĩa là "khả năng của bê tông chống lại tác động của thời tiết, ăn mòn hóa chất, mài mòn, hoặc bất

kỳ quá trình suy thoái nào khác", có nghĩa là “bê tông bền sẽ duy trì hình dạng ban đầu, chất lượng và khả năng phục vụ của nó khi tiếp xúc với môi trường”

Như vậy, cũng như các vật liệu khác, chất lượng của bê tông thay đổi theo thời gian

và quá trình này được minh họa bởi Sommerville [96] như hình 1.3 Nhu cầu về một

kế hoạch tuổi thọ nằm đâu đó giữa đường cong 1 (thường quá đắt) và đường cong 3 (nguy hiểm cả về an toàn và tốn kém về sửa chữa, khôi phục) Hầu hết bê tông sẽ thể hiện tính năng độ bền giống với đường cong 2 thể hiện sự suy giảm độ bền đáng kể theo thời gian Tuy nhiên bảo trì liên tục có thể kiểm soát tình hình lên đến một mức

độ nào đó

Hình 1.3 Suy giảm độ bền theo thời gian của bê tông xi măng [96]

Tính năng yêu cầu tối thiểu

Miền tính năng

Thời gian Công trình hoàn thành

1.2.3.2 Các cơ chế suy giảm độ bền của bê tông xi măng

Dựa trên các vấn đề độ bền được viết trong tài liệu khác nhau, Basheer (1991) [43] xác định các cơ chế suy giảm độ bền như sau:

- Ăn mòn cốt thép do cacbonat hóa

- Ăn mòn cốt thép do xâm nhập ion clo

Trong tất cả các cơ chế suy giảm độ bền ở trên, ăn mòn sun phát, ăn mòn cốt thép

do cacbonat hóa và do thâm nhập ion clo được công nhận là các nhân tố quan trọng nhất ảnh hưởng đến độ bền của kết cấu bê tông [29] Tuy nhiên, lớp bê tông bảo vệ được coi là vỏ bọc đầu tiên bảo vệ chống lại sự xâm nhập của các chất xâm thực vào

bê tông và bất kỳ quá trình suy giảm độ bền lý, hóa Các cơ chế ăn mòn sun phát, ăn mòn cốt thép do cacbonat hóa và do thâm nhập ion clo được trình bày ngắn gọn sau đây

a Cơ chế ăn mòn sun phát

Hầu hết các chuyên gia cho rằng ăn mòn sun phát thường được quy cho sự hình thành của ettringite giãn nở (3CaO.Al2O3.3CaSO4.32H2O) và thạch cao (CaSO4.2H2O)

có thể được đi kèm với việc giãn nở hoặc làm mềm bê tông Các tác dụng khác của ăn mòn sun phát bao gồm sự hình thành của thaumasite (CaCO3.CaSO4.CaSiO3.15H2O)

do khử vôi của CSH và cuối cùng là sự mất mát của cấu trúc xi măng

Mustafa Sahmaran [83] mô tả cơ chế ăn mòn sun phát như sau:

* Ăn mòn bằng natri sun phát và magiê sun phát

Hydrat hóa của các hợp chất chính của xi măng, dicanxi silicat (2CaO.SiO2 kí hiệu

C2S) và tricanxi silicat (3CaO.SiO2 kí hiệu C3S), với nước H2O (kí hiệu H) tạo ra gel CSH và Ca(OH)2 (kí hiệu CH):

2(2CaO.SiO2) + 4H2O => 3CaO.2SiO2.3H2O + Ca(OH)2 (1.3)

2(3CaO.SiO2) + 6H2O => 3CaO.2SiO2.3H2O + 3Ca(OH)2 (1.4)

Trong số các sản phẩm được hình thành, gel CSH là thành phần liên kết chính của

xi măng thủy hóa và CH là sản phẩm phụ tan trong nước không có giá trị xi măng Dung dịch sun phát ăn mòn sản phẩm hydrat hóa khác nhau của xi măng Như một kết quả của ăn mòn sun phát, mỗi sản phẩm hydrat hóa riêng lẻ có thể tạo ra một hợp chất mới Natri sun phát và magiê sun phát có thể phản ứng với canxi hydroxit được hình thành trong quá trình thủy hóa canxi silicat để tạo thành thạch cao, natri hydroxit (NaOH) và magiê hydroxit (Mg(OH)2) theo các phản ứng gần đúng sau đây:

Ca(OH)2 + Na2SO4 + 2H2O => CaSO4.2H2O + 2NaOH (1.5) Ca(OH)2 + MgSO4 + 2H2O => CaSO4.2H2O + Mg(OH)2 (1.6)

Sự suy giảm độ bền của bê tông cứng do sự hình thành của thạch cao (CaSO4.2H2O) trải qua một quá trình dẫn đến giảm độ cứng và cường độ; tiếp theo là

sự giãn nở Hình thành thạch cao cũng được cho là bước đầu tiên của hình thành ettringite, có thể được coi như là nguyên nhân chính của sự suy giảm độ bền của bê tông do ăn mòn sun phát

Thạch cao được hình thành có thể tiếp tục phản ứng với aluminat canxi hydrat (4CaO.Al2O3.13H2O), sulfoaluminates canxi hydrat (3CaO.Al2O3.CaSO4.12H2O) hay aluminat tricalcium chưa thủy hóa (3CaO.Al2O3 kí hiệu C3A) để tạo ra ettringite theo các phương trình sau đây:

4CaO.Al2O.13H2O + 3(CaSO4.2H2O) + 14H2O

=> 3CaO.Al2O3.3CaSO4.32H2O + Ca(OH)2 (1.7) CaO.Al2O3.CaSO4.12H2O + 2(CaSO4.2H2O) + 16H2O

=> 3CaO.Al2O3.3CaSO4.32H2O (1.8) 3CaO.Al2O3 + 3(CaSO4.2H2O) + 26H2O

=> 3CaO.Al2O3.3CaSO4.32H2O (Ettringite) (1.9)

Hiện tượng này được gọi là ăn mòn ettringite Sự hình thành ettringite theo các phản ứng trong các phương trình (1.7) - (1.9) chủ yếu dẫn đến gia tăng thể tích rắn, mặc dù vẫn còn đang tranh luận trong các tài liệu về các cơ chế giãn nở Hầu hết các lý thuyết

có thể được phân loại theo một trong hai trường phái lớn: (1) áp lực tăng trưởng tinh thể trong quá trình hình thành ettringite và (2) ettringite trương nở do hấp thụ nước Tinh thể ettringite thường được hình thành ở lỗ rỗng không khí được lấp đầy không khí và nước ngay từ đầu Khi các khoảng trống trong đá xi măng không thể chứa thêm vật chất giãn nở được nữa, ứng suất kéo bên trong có thể gây ra nứt trong bê tông cứng, do đó gây ra giảm tiết diện chịu lực và phá hủy bê tông

Ngoài việc hình thành ettringite giãn nở và thạch cao, các ion sun phát cũng có thể phản ứng với các gel CSH được hình thành trong quá trình hydrat của C2S và C3S Việc khử vôi của canxi silicate hydrate là do tác động của magiê sun phát Phản ứng được biển diễn như sau:

3CaO.2SiO2.3H2O + 3MgSO4 + 8H2O

=> 3(CaSO4.2H2O) + 3Mg(OH)2 + 2(SiO2.H2O) (1.10)

Như vậy, phản ứng này tạo ra nhiều thạch cao hơn (CaSO4.2H2O) mà có thể đi qua một chu kỳ của các phản ứng (1.7)-(1.9) được mô tả trước đó, để tạo ra ettringite nhiều hơn Hơn nữa, Mg(OH)2 và SiO2.H2O được hình thành theo phương trình (1.10) có thể tiếp tục phản ứng để tạo ra magiê silicate hydrate 3MgO.2SiO2.3H2O (MSH) không kết dính Kết quả quá trình này làm giảm dần khả năng liên kết, do đó làm mất cường

độ của bê tông cứng Sự phân hủy của CSH thành MSH không kết dính chỉ có thể đạt

được bởi magiê sun phát, và do đó magiê sun phát có nhiều tai hại hơn natri sun phát

* Ăn mòn sun phát ở dạng thaumasite

Thaumasite (CaCO3.CaSO4.CaSiO3.15H2O) hình thành trong bê tông trong quá trình ăn mòn sun phát, như một kết quả các phản ứng của sun phát với CSH trong sự hiện diện của ion CO32- hay cacbon dioxit trong khí quyển (CO2) và nước ở nhiệt độ thấp (dưới 150C) trong bê tông Thaumasite cũng có thể hình thành do phản ứng của ettringite với CSH trong sự hiện diện của cacbon dioxit Trong trường hợp như vậy, thaumasite thường dường như tồn tại trong một dung dịch rắn với ettringite Các phản ứng dẫn tới hình thành thaumasite có thể được biểu diễn theo cách đơn giản như sau:

3CaO.2SiO2.3H2O + 2(CaSO4.2H2O) + 2CaCO3 + 24H2O

=> 2(CaCO3.CaSO4.CaSiO3.15H2O) + Ca(OH)2 (1.11) 3CaO.Al2O3.3CaSO4.32H2O + 3CaO.2SiO2.3H2O

+ 2CaCO3 + 4H2O => 2(CaCO3.CaSO4.CaSiO3.15H2O)

Bằng cách so sánh với ettringite, thaumasite chứa silicat và cacbonat thay vì aluminate Khi CSH trực tiếp tham gia vào sự hình thành thaumasite, các phản ứng đặc biệt có hại Thaumasite chưa được nghiên cứu rộng rãi, vì hầu hết các trường hợp báo cáo ăn mòn sun phát đã có đối với môi trường bán khô hạn nơi các điều kiện ấm áp thịnh hành không được xem thuận lợi cho sự hình thành của thaumasite Thaumasite hình thành chậm và kết quả cuối cùng là một khối mềm màu trắng Điều này gây ra tan

rã toàn bộ bê tông và để lộ cốt thép dẫn đến gỉ sét Ăn mòn magiê sun phát làm tăng thêm hình thức ăn mòn thamausite sun phát và làm tăng sự suy giảm độ bền tổng thể

Vì thaumasite hình thành không phụ thuộc vào mức độ hydrat canxi aluminat, xi măng poóc lăng bền sun phát cũng có thể dễ bị hình thức ăn mòn xâm thực này

b Cơ chế ăn mòn cốt thép do cacbonat hóa và xâm nhập ion clo

* Ăn mòn cốt thép do cacbonat hóa

Độ PH của dung dịch lỗ rỗng của bê tông tươi là khoảng 12,5-13,0 Bản chất kiềm của bê tông chủ yếu là do sự hiện diện của canxi hydroxit Ca(OH)2 hình thành trong quá trình thủy hóa của xi măng Sự hòa tan canxi hydroxit dẫn đến sự hiện diện của các ion hydroxyl (OH-) trong nước lỗ rỗng và điều này mang lại cho bê tông độ PH cao, hình thành một màng thụ động - một lớp oxit mỏng phủ trên bề mặt thép Canxi hydroxit dễ bị phản ứng với cacbon dioxit (CO2) từ không khí Phản ứng tiến hành trong sự hiện diện của độ ẩm như nước cung cấp một dung môi để phản ứng Các công trình bê tông hầu như sẽ luôn luôn có đủ độ ẩm cho các phản ứng tiến hành Phản ứng liên quan đến sản phẩm của canxi cacbonat (CaCO3) Phản ứng này làm giảm lượng ion OH- trong dung dịch lỗ rỗng của bê tông do đó làm độ pH của dung dịch lỗ rỗng giảm xuống dưới 12,5 và có thể giảm đến 8,0 Kết quả giảm độ pH này ở mặt trước của bê tông bị cacbonat hóa chia thành vùng bị cacbonat hóa và chưa bị cacbonat hóa Trong khi cacbonat hóa không ảnh hưởng xấu đến bản thân bê tông nhưng độ bền của cốt thép có thể bị tổn hại Điều này là bởi vì lớp oxit sắt thụ động trên cốt thép bị phá

vỡ khi độ pH xung quanh giảm xuống dưới 9 [77]

Ban đầu CO2 khuyếch tán qua bề mặt của bê tơng do sự khác biệt nồng độ giữa khí quyển và cấu trúc lỗ rỗng bê tơng Một lớp mỏng bê tơng bị cacbonat hĩa Khí CO2

khơng bị cản trở thơng qua lớp bê tơng đã cacbonat hĩa và phản ứng với lớp bê tơng tiếp theo của canxi hydroxit Nĩ dần dần xâm nhập sâu hơn vào bê tơng theo thời gian

và cuối cùng cacbonat hĩa cĩ thể đạt đến cốt thép và gây ra oxi hĩa khử như hình 1.4

Vùng cacbonat hóa

Vùng ô xi hóa khử cốt thép

Hình 1.4 Vùng xâm nhập cacbonat hĩa đạt đến cốt thép [77]

Phản ứng đáng kể nhất liên quan đến canxi hydroxit và do đĩ sự cacbonat hĩa của

bê tơng được Richardson [77] tĩm tắt như sau:

3CaO.SiO2 + 3CO2 + yH2O  SiO2.yH2O + 3CaCO3 (1.16)

2CaO.SiO2 + 2CO2 + yH2O  SiO2.yH2O + 2CaCO3 (1.17)

Khi mặt trước của bê tơng bị cacbonat hĩa đạt được cốt thép thì màng thụ động bị phá hủy cục bộ, sắt ơxi hĩa để hình thành các ion sắt (Fe2+) với phản ứng như sau:

Các ion sắt truyền vào dung dịch Các electron di chuyển qua cốt thép đến cực âm, nơi mà chúng được hấp thụ bởi chất điện phân Phản ứng cực âm tạo ra ion hydroxyl (OH-), trong sự hiện diện của oxy và độ ẩm, như sau:

2H2O + O2 + 4e- → 4OH- (1.19)

Các ion hydroxyl di chuyển từ chỗ cực âm thông qua bê tông ẩm ướt, chất điện phân về phía cực dương nơi hydroxit sắt (Fe(OH)2) được hình thành Các phản ứng cực dương có thể được biểu diễn như sau:

Hydroxit sắt không ổn định trong sự hiện diện của oxy và do đó, phản ứng có thể tiến hành để tạo thành gỉ sét Các phản ứng có thể được biểu diễn sau đây:

4Fe(OH)2 + 2H2O + O2 → 4Fe(OH)3 (1.22)

Tiến xa hơn của mặt trước cacbonat hóa sẽ tăng diện tích khử thụ động Ăn mòn lan rộng sau đó có thể kéo theo sự phát triển của nứt dọc theo đường của cốt thép [77]

* Ăn mòn cốt thép do xâm nhập ion clo

Khi nồng độ ion Cl- đạt tới ngưỡng nồng độ ăn mòn nó phá vỡ màng thụ động Khi lớp thụ động đã bị phá, cốt thép có thể bắt đầu bị ăn mòn nếu có sự cung cấp của độ

ẩm và oxy Quá trình này là một quá trình điện hóa với các phản ứng điện hóa diễn ra trong hai vùng cực dương và cực âm Điều này được Strehblow (2002) [99] thể hiện trong hình 1.5

1 Cực dương hòa tan sắt; 2 Dòng electron qua kim loại; 3 phản ứng khử cực âm;

4 Dòng điện ion qua các chất điện phân

Hình 1.5 Sơ đồ biểu diễn clo gây ăn mòn cốt thép [99]

Dòng điện

Màng thụ động

Thép

Phản ứng cực âm

Nếu thép chỉ tan trong dung dịch nước lỗ rỗng thì bê tông không thể nứt và vỡ Một

vài quá trình tiếp theo phải xảy ra để hình thành gỉ sắt Có nhiều cách biểu diễn, một

trong số đó là: Từ Fe(OH)2 tác dụng với oxy và nước thành Fe(OH)3, Hydroxit sắt ba

này chuyển thành ô xít sắt ngậm nước, đây chính là gỉ sắt

Đầu tiên, các ion clo kích hoạt các bề mặt của thép để tạo thành một cực dương, bề

mặt thụ động là cực âm Richardson [77] đã mô tả các phản ứng như sau:

FeCl2 + 2H2O  Fe(OH)2 + 2HCL (1.24)

2FeCl2 + 4H2O  2Fe(OH)2 + 4H+ + 4Cl- (1.25) 2FeOCl + 2H2O  2Fe(OH)2 + 2Cl- (1.26) Khi lớp thụ động bị phá vỡ thì các khu vực gỉ sắt sẽ bắt đầu xuất hiện trên bề mặt

thép với sự có mặt của oxy và nước Mô tả ngắn gọn về hiện tượng ăn mòn như sau:

Khi thép trong bê tông bị ăn mòn, nó hòa tan trong nước lỗ rỗng và cho electron:

Các phản ứng cực dương:

Electron đi qua thép vào cực âm kết hợp với nước và oxy để tạo thành các ion OH-:

4e- + O2 + 2H2O  4(OH)- (1.28)

Các phản ứng cực dương và cực âm là những bước đầu tiên trong quá trình tạo gỉ

Trong giai đoạn tiếp theo, các ion hydroxyl truyền qua chất điện phân và kết hợp với

các ion sắt để tạo thành hydroxit sắt hai, lần lượt biến đổi bởi quá trình oxy hóa thêm

nữa để thành gỉ sắt (Fe2O3.H2O)

Fe++ + 2(OH)   Fe(OH)2 (1.29)

4Fe(OH)2 + 2H2O + O2  4Fe(OH)3 (1.30)

2Fe(OH )3  Fe2O3.H2O + 2H2O (1.31)

Theo Nielsen năm 1985 [88], Fe2O3 chưa ngậm nước có thể tích khoảng gấp đôi của

thép mà nó thay thế Khi nó ngậm nước nó nở nhiều hơn và trở nên xốp và do đó tăng

thể tích tại giao diện bê tông-thép lên đến 6 lần như hình 1.6 Điều này dẫn đến nứt,

bong vỡ và tách lớp bê tông (hình 1.7) và làm cho bê tông dễ dàng hơn với các chất

xâm thực đi vào hoặc hướng tới phía thép và kết quả là gia tăng tốc độ ăn mòn [86]

1.3 PHÂN LOẠI VÀ CẤU TẠO MẶT ĐƯỜNG BÊ TÔNG XI MĂNG

1.3.1 Phân loại mặt đường ô tô có lớp mặt bằng bê tông xi măng

Mặt đường ô tô có lớp mặt bằng BTXM có thể có cốt thép, sợi thép, lưới thép hoặc không có cốt thép Mặt đường ô tô có lớp mặt bằng BTXM có các loại sau đây:

1.3.1.1 Mặt đường BTXM thường có khe nối (JPCP)

Mặt đường bê tông thường có khe nối (Jointed plain concrete pavement – JPCP)

gồm các tấm BTXM kích thước hữu hạn (thường 3,0-6,0m) được liên kết bằng các khe nối (khe dọc và khe ngang) Ngoại trừ các chỗ có khe nối và các khu vực cục bộ khác, trong tầng mặt BTXM loại này đều không bố trí cốt thép Vì vậy, đối với JPCP sự giãn

và co của mặt đường được giải quyết thông qua khe co, giãn [17, 22, 3, 90]

1.3.1.2 Mặt đường BTCT có khe nối (JRCP)

Mặt đường bê tông cốt thép có khe nối (Jointed reinforced concrete pavement –

JRCP) phân biệt với JPCP bởi chiều dài tấm lớn hơn và có cốt thép ít trong tấm Cốt thép này thường được gọi là thép nhiệt Độ dài tấm JRCP thường nằm trong khoảng 7,5-9,0 m, mặc dù chiều dài tấm lên đến 30 m đã được sử dụng Với độ dài tấm như vậy, các khe nối cần có chốt Hàm lượng thép trong tấm thường chiếm 0,10-0,25% diện tích mặt cắt ngang theo hướng dọc và ít thép theo hướng ngang Cốt thép hoặc sợi thép và lưới thép có thể được sử dụng Vì cốt thép không bố trí ở vùng kéo uốn do tải trọng xe chạy gây ra mà được bố trí ở trục trung hòa hoặc điểm giữa của tấm (thường cách mặt trên của tấm BTXM từ 1/2h-1/4h), nên nó không có ảnh hưởng đến tính năng

uốn của bê tông mà nhằm hạn chế sự phát triển khe nứt do co ngót [17, 22, 90]

Hình 1.6 Thể tích tương đối của các sản