Ảnh hưởng của nhiệt độ đến cường độ và độ bền của vật liệu gốc xi măng trong môi trường Sunfat

Mục đích của bài viết này là nghiên cứu ảnh hưởng của nhiệt độ đến hiện tượng ăn mòn sunfat của các vật liệu gốc xi măng. Cụ thể, các mẫu vữa xi măng được thí nghiệm cường độ và độ giãn nở trong dung dịch natri sulfat ở các nhiệt độ khác nhau và ở các ngày tuổi khác nhau.

BÀI BÁO KHOA HỌC ẢNH HƯỞNG CỦA NHIỆT ĐỘ ĐẾN CƯỜNG ĐỘ VÀ ĐỘ BỀN CỦA VẬT LIỆU GỐC XI MĂNG TRONG MƠI TRƯỜNG SUNFAT Hồng Quốc Gia1 Tóm tắt: Mục đích báo nghiên cứu ảnh hưởng nhiệt độ đến tượng ăn mòn sunfat vật liệu gốc xi măng Cụ thể, mẫu vữa xi măng thí nghiệm cường độ độ giãn nở dung dịch natri sulfat nhiệt độ khác ngày tuổi khác Kết cho thấy nhiệt độ có ảnh hưởng lớn đến mức độ hư hỏng vữa xi măng, nhiệt độ thấp tượng ăn mịn sunfat xảy mạnh mẽ Từ khoá: Vữa xi măng, cường độ, độ bền, ăn mòn sunfat, nhiệt độ MỞ ĐẦU Môi trường biển môi trường xảy tượng xâm thực mạnh bê tông xi măng (Cao DT, 2003; Đồng KH, 2011) Các nguyên nhân phá hoại kết cấu bê tơng cốt thép mơi trường biển phân loại theo chế như: vật lý, hóa học, ăn mịn điện hóa cốt thép sinh vật biển Các nguyên nhân phá hoại thường xảy lúc đan xen làm cho kết cấu bê tông bị phá hủy nhanh Trong nguyên nhân này, lượng muối sunfat nguyên nhân quan trọng cả, gây xâm thực mạnh mẽ bê tơng nói riêng vật liệu gốc xi măng nói chung (Menéndez E,2013) Tuy nhiên, sulfat không tồn nước biển, cịn tìm thấy đất (dưới dạng thạch cao), nước ngầm lòng đất, hay nước thải công nghiệp (Khương VH, 2009; Trịnh HT, 3013) Các phản ứng sulfat dẫn đến giãn nở thể tích, làm mềm nứt, sau làm tan rã kết bê tông xi măng Cơ chế tượng ăn mịn sulfate trình bày (Tạ DL, 2012) MgCl2 + Ca(OH)2 → Mg(OH)2 + CaCl2 (hòa tan) Kết tinh dạng Brucite H2O MgSO4 + Ca(OH)2 → Mg(OH)2 + CaSO4.2H2O (hòa tan) Kết tinh dạng Brucite MgSO4 + [Ca(OH)2 + 3CaO.Al2O3.CaSO4.18H2O] H2O → Mg(OH)2 + 3CaO.Al2O3.3CaCO3.32H2O Kết tinh dạng Brucite Khoáng gây nở ettringine MgSO4+[Ca(OH)2+3CaO.2SiO2.3H2O]→4MgO.SiO2.8H2O+CaSO4.2H2O (hòa tan) Những * biến đổi tạo sản phẩm bị rửa trôi làm phá vỡ cấu trúc độ bền đá xi măng là: hòa tan CaCl2 ; Ca(HCO3)2; CaSO4.2H2O nước, trương nở tạo khoáng ettringite Mức độ hư hỏng kết cấu ăn mòn sulfat phụ thuộc vào nhiều yếu tố loại cation kèm với ion sunfat, nồng độ sulfat, loại xi măng, độ ẩm, nhiệt độ (AlAmoudi, 1998) Nghiên cứu tập trung vào ảnh hưởng mức nhiệt độ khác đến trình phát triển cường độ độ giãn dài BM VLXD, Khoa Cơng trình, Trường ĐH Thủy lợi KHOA HỌC KỸ THUẬT THỦY LỢI VÀ MÔI TRƯỜNG - SỐ 68 (3/2020) 107 mẫu vữa xi măng chế tạo từ loại xi măng khác VẬT LIỆU VÀ PHƯƠNG PHÁP THÍ NGHIỆM 2.1 Xi măng Các loại xi măng thông dụng sử dụng để chế tạo bê tông xi măng pclăng thơng thường (PC) xi măng pclăng hỗn hợp (PCB) Xi măng pclăng thơng thường theo quy định TCVN 2682:1999 xi măng nghiền từ clanhke tỷ lệ thạch cao thích hợp, khơng có phụ gia khống hoạt tính khơng hoạt tính (chất độn mịn) Xi măng poóclăng hỗn hợp theo quy định TCVN 6260:2009 xi măng nghiền từ clanhke xi măng pclăng tỷ lệ thạch cao thích hợp, nghiền thêm lượng phụ gia khống hoạt tính phụ gia trơ với hàm lượng không 40%, phụ gia trơ đóng vai trị chất độn khơng vượt q 20% Trong nghiên cứu xi măng PCB 40 chọn xi măng đối chứng Ngoài ra, để nghiên cứu ảnh hưởng loại xi măng, chúng tơi cịn sử dụng xi măng bền sulfate PCsr 40, đạt tiêu quy định theo tiêu chuẩn xi măng chịu mặn TCVN 6067:2004 Điểm khác biệt lớn loại xi măng PCsr loại xi măng thông thường khác tỷ lệ khống vật C3A PCsr nhỏ, giảm tối đa trương nở ettringite gốc SO42-, hạn chế tác hại ăn mịn sulfat Thành phần hóa học loại xi măng sử dụng nghiên cứu thể bảng Bảng Thành phần hóa học xi măng Thành phần SiO2 Al2O3 Fe2O3 CaO MgO SO3 LOI C3A 108 PCB 40 19.3 5.0 2.9 63.6 2.52 2.82 2.1 9.5 PCsr 40 20.5 3.75 5.03 62.02 2.82 1.86 1.69 1.43 2.2 Phương pháp thí nghiệm Q trình thí nghiệm tuân thủ quy trình TCVN 7713:2007 - Xi măng - Xác định thay đổi chiều dài vữa dung dịch sulfat Để xác định độ nở dài mơi trường sunfat, vữa có kích thước 25 mm x 25 mm x 285 mm chế tạo tuân theo TCVN 6068:2004 - Xi măng poóc lăng bền sunphat Phương pháp xác định độ nở sunphat Tỷ lệ nước/xi măng N/X 0.485 tỷ lệ cát/xi măng C/X 2.75 cố định tất mẫu thí nghiệm Cát để chế tạo mẫu thử cát tiêu chuẩn ISO để thử nghiệm xi măng (TCVN 6227:1996) Sau đúc tháo khuôn, vữa bảo dưỡng nước đạt cường độ 20 MPa ngâm dung dịch natri sulfat 50g/l để xác định độ nở dài theo thời gian Để nghiên cứu ảnh hưởng nhiệt độ, dung dịch sunfat ngâm mẫu để nhiệt độ 50C, 200C 400C Đối với thí nghiệm cường độ nén, mẫu thí nghiệm mẫu lập phương, kích thước 50 mm x 50 mm x 50 mm Quy trình thí nghiệm tn theo TCVN 6016 : 1995 Thí nghiệm cường độ tiến hành 0, 90, 180 270 ngày kể từ ngâm mẫu vào dung dịch sunfat KẾT QUẢ THỰC NGHIỆM 3.1 Độ nở dài Hình 1,2,3 thể độ nở dài vữa ngâm dung dịch sunfat theo thời gian (tính từ bắt đầu ngâm mẫu dung dịch), nhiệt độ 50C, 200C 400C Kết thí nghiệm cho thấy độ nở dài có xu hướng tăng theo thời gian, ban đầu tốc độ chậm, sau nhanh Điều chứng tỏ trình ăn mịn sunfat chia thành giai đoạn phát triển, ban đầu giai đoạn “ủ bệnh”, giai đoạn sau giai đoạn “phát bênh” Sự chuyển tiếp từ giai đoạn sang giai đoạn quan sát rõ xảy thời điểm sớm xi măng PCB nhiệt độ thấp 50C (Hình 1) Kết cho thấy mẫu vữa làm từ xi măng hỗn hợp PCB có độ nở dài lớn mẫu vữa làm từ xi măng bền sunfat PCsr có điều kiện thành phần (tỷ lệ N/X) nhiệt độ Sự chênh lệch thể đặc biệt rõ tuổi dài KHOA HỌC KỸ THUẬT THỦY LỢI VÀ MÔI TRƯỜNG - SỐ 68 (3/2020) ngày (270 ngày) Nhiệt độ thấp chênh lệch lớn Ở giai đoạn trước 120 ngày nhiệt độ cao 200C 400C, khác biệt xi măng PCB xi măng PCsr không đáng kể hợp sử dụng xi măng hỗn hợp PCB (Hình 4) Điều chứng tỏ nhiệt độ thấp q trình ăn mịn sunfat diễn thuận lợi Khi chuyển sang sử dụng xi măng bền sunfat, ảnh hưởng nhiệt độ Điều xi măng PCsr, hàm lượng PCsr khống chế xuống thấp để hạn chế tối đa phá hoại xâm thực sunfat 50C Hình Độ nở dài vữa 50C 400C Hình Độ nở dài vữa PCB nhiệt độ khác 50C Hình Độ nở dài vữa 200C 400C Hình Độ nở dài vữa PCsr nhiệt độ khác 3.2 Sự phát triển cường độ Hình Độ nở dài vữa 400C Một điểm quan trọng nhiệt độ có ảnh hưởng lớn đến phá hoại xâm thực sunfat vữa xi măng Ở ngày tuổi 270 (tính từ ngâm mẫu dung dịch sunfat), độ nở dài nhiệt độ 50C lớn gấp lần nhiệt độ 400C trường KHOA HỌC KỸ THUẬT THỦY LỢI VÀ MƠI TRƯỜNG - SỐ 68 (3/2020) Hình Sự phát triển cường độ mẫu vữa 50C 109 bệnh” ban đầu Khi thay xi măng poóc lăng hỗn hơp PCB xi măng bền sulfate PCsr, tượng suy thối cường độ khơng xảy ra, thành phần xi măng PCsr khống chế hàm lượng khoáng vật C3A xuống thấp nên hạn chế tối đa phản ứng gây trương nở xi măng Điều hồn tồn phù hợp giải thích kết độ nở dài phân tích mục 3.1 Hình Sự phát triển cường độ mẫu vữa 200C Hình Sự suy giảm cường độ mẫu vữa xi măng PCB 270 ngày so với 90 ngày tuổi với nhiệt độ khác Hình Sự phát triển cường độ mẫu vữa 400C Sự phát triển cường độ mẫu vữa theo thời gian nhiệt độ khác thể hình 6,7 Từ biểu đồ thấy cường độ mẫu làm từ xi măng PCsr vữa tăng theo thời gian theo quy luật phát triển cường độ vật liệu gốc xi măng, thang nhiệt độ Điều chứng tỏ xi măng bền sunfat bị ảnh hưởng q trình xâm thực Ngược lại, mẫu vữa làm từ xi măng PCB, quan sát thấy khác biệt rõ rêt Sau 90 ngày tuổi, cường độ có dấu hiệu xuống, 270 ngày tuổi cường độ giảm rõ rệt so với tuổi 90 ngày Sự suy giảm cường độ mẫu vữa giải thích hàm lượng SO42- có dung dịch sunfat, kết hợp với Ca2+ khống vật C3A có xi măng, tạo sản phẩm gây trương nở ettringite gây ổn định thể tích vữa làm giảm cường độ Hiện tượng xảy mạnh mẽ sau 60 ngày tuổi, sau trải qua giai đoạn “ủ 110 Để làm rõ ảnh hưởng nhiệt độ đến cường độ mẫu vữa theo thời gian, hình thể suy giảm cường độ, tính % ngày 270 so với ngày 90 trường hợp sử dụng xi măng PCB Biểu đồ cho thấy nhiệt độ thấp 50C, cường độ vữa xi măng giảm mạnh, 40% Trong đó, nhiệt độ dung dịch ngâm mẫu 400C, số 8% Điều lần khẳng định trình phá hoại xâm thực sunfat xảy mạnh mẽ nhiệt độ thấp sử dụng xi măng hỗn hợp PCB Hay nói cách khác, nhiệt độ thấp có tác động tiêu cực đến khả bền sunfat vữa xi măng Hiện tượng giải thích hình thành thaumasite trình xâm thực sulfat (thaumasite form of sulfate attack TSA) điều kiện nhiệt độ thấp Nhiều nghiên cứu thaumasite xuất môi trường nhiệt độ bảo dưỡng bê tông thấp, môi trường tồn CaCO3, ion SO42- C-S-H (CaSiO3·CaCO3·CaSO4·15H2O) gây nở nguyên nhân thuận lợi vữa xi măng bị xốp tính kết dính (Collepardi 1999; Pipilikaki, 2008, KHOA HỌC KỸ THUẬT THỦY LỢI VÀ MÔI TRƯỜNG - SỐ 68 (3/2020) Thomas Schmidt, 2008) Khi nhiêt độ cao, trình xâm thực xảy hơn, nhiều khả nhiệt thúc đẩy trình hydrat hóa xi măng ngăn ngừa xâm thực KẾT LUẬN Các kết thí nghiệm nghiên cứu này, bao gồm độ nở dài phát triển cường độ theo thời gian, cho thấy nhiệt độ ảnh hưởng lớn đến độ bền vữa xi măng tiếp xúc môi trường sunfat Cụ thể hơn, nhiệt độ thấp tác nhân thúc đẩy trình xâm thực sunfat diễn sớm mạnh Ở nhiệt độ thấp, mẫu vữa bị phá hoại nhiều (thể độ nở dài) suy giảm cường độ cao so với nhiệt độ cao Hiện tượng thể rõ dùng xi măng póoc lăng hỗn hợp PCB Khi sử dụng xi măng bền sunfat PCsr, hàm lượng C3A thấp, trình xâm thực xảy ảnh hưởng nhiệt độ không đáng kể Nghiên cứu mở hướng thiết kế thành phần bê tơng xi măng để dự phịng chống xâm thực sunfat (ví dụ bê tơng cho cơng trình biển) phù hợp với điều kiện khí hậu nhiệt độ khác Trên thực tế để bảo vệ cơng trình ngăn ngừa xâm thực cần kết hợp nhiều giải pháp vật liệu (sử dụng xi măng, phụ gia phù hợp) hay công nghệ (sử dụng sơn, phủ, hay biện pháp dự phịng ăn mịn) Trong việc bảo dưỡng nhiệt độ cao giải pháp để nâng cao độ bền vật liệu gốc xi măng Việc phát triển tiếp nghiên cứu cấp độ bê tông mở rộng phạm vi với loại vật liệu khác (ví dụ có mặt phụ gia khống, phụ gia hóa học) cần thiết để hiểu rõ chế ăn mòn khống chế ảnh hưởng nhiệt độ môi trường điều kiện làm việc kết cấu cụ thể TÀI LIỆU THAM KHẢO Cao Duy Tiến, Phạm Văn Khoan, Lê Quang Hùng ctv, “Báo cáo tổng kết dự án KT - KT chống ăn mòn bảo vệ cơng trình bê tơng BTCT vùng biển”, Viện KHCN Xây dựng, 11/2003 Đồng Kim Hạnh, Dương Thị Thanh Hiền, Tình trạng ăn mịn bê tơng cốt thép giải pháp chống ăn mịn cho cơng trình bê tơng cốt thép mơi trường biển Việt Nam, Tạp chí Khoa học kỹ thuật Thủy lợi Môi trường, Số Đặc biệt (11/2011) > trang 44-49 Khương Văn Huân, Lê Minh, Đặc điểm môi trường nước chua phèn gây ăn mịn bê tơng cốt thép cơng trình thủy lợi đồng sơng Cửu Long, Tạp chí Khoa học kỹ thuật Thủy lợi Môi trường Số 26 (9/2009) > Trang 29-36 Trịnh Hồng Tùng, 2013, Nghiên cứu chống ăn mịn cho vữa bê tơng cơng trình tiếp xúc với nước thải nhà máy phân khoáng, LA TS Kỹ thuật, Đại học xây dựng Tạ DL, 2012, Nghiên cứu chế ăn mịn hóa học bê tông môi trường biển số giải pháp giảm thiểu ăn mịn,tăng tuổi thọ cơng trình bê tông bê tông cốt thép môi trường biển Việt Nam, Luận văn thạc sĩ chuyên ngành Xây dựng cơng trình thủy, Trường Đại học Thủy lợi TCVN 6260:2009; Xi măng Pooclang hỗn hợp-Yêu cầu kỹ thuật TCVN 2682:1999, Xi măng póoc lăng - Yêu cầu kỹ thuật TCVN 6067:2004 Xi măng Poóc lăng bề sun phát - Yêu cầu kỹ thuật TCVN 7713:2007, Xi măng - Xác định thay đổi chiều dài vữa dung dịch sulfat TCVN 6068:2004, Xi măng poóc lăng bền sunphat - Phương pháp xác định độ nở sunphat TCVN 6227:1996, Cát tiêu chuẩn ISO để xác định cường độ xi măng TCVN 6016:1995, Xi măng - phương pháp thử - xác định độ bền Menéndez E., Matschei T., Glasser F.P (2013) Sulfate Attack of Concrete In: Alexander M., Bertron A., De Belie N (eds) Performance of Cement-Based Materials in Aggressive Aqueous Environments RILEM State-of-the-Art Reports, vol 10 KHOA HỌC KỸ THUẬT THỦY LỢI VÀ MÔI TRƯỜNG - SỐ 68 (3/2020) 111 Al-Amoudi, O.S.B., 1998, “Sulfate attack and reinforcement corrosion in plain and blended cements exposed to sulfate environments”, Building and Environment, 33(1):53-61 Mario Collepardi, Thaumasite formation and deterioration in historic buildings, Cement and Concrete Composites, Volume 21, Issue 2, 1999, Pages 147-154, ISSN 0958-9465 Pipilikaki, Penny & Papageorgiou, D & Teas, C & Chaniotakis, E & Katsioti, M (2008) The effect of temperature on thaumasite formation Cement & Concrete Composites Thomas Schmidt, Barbara Lothenbach, Michael Romer, Karen Scrivener, Daniel Rentsch, Renato Figi, A thermodynamic and experimental study of the conditions of thaumasite formation, Cement and Concrete Research, Volume 38, Issue 3, 2008, Pages 337-349, ISSN 0008-8846 Abstract: INFLUENCE OF TEMPERATURE ON THE STRENGTH AND DURABILITY OF CEMENT - BASED MATERIALS IN SULFATE ENVIRONMENT This work aims to study influence of temperature on sulfate attack of cement-based materials Specifically, several speciments of cement mortar were tested for strength and expansion in sodium sulfate solution at different temperatures and at different age days The results showed that the temperature has a important effect on the level of damage of the cement mortar The lower the temperature, the important sulfate attack will occur Keywords: Cement mortar, strength, durability, sunfate attack, temperature Ngày nhận bài: 17/3/2020 Ngày chấp nhận đăng: 31/3/2020 112 KHOA HỌC KỸ THUẬT THỦY LỢI VÀ MÔI TRƯỜNG - SỐ 68 (3/2020) ... gồm độ nở dài phát triển cường độ theo thời gian, cho thấy nhiệt độ ảnh hưởng lớn đến độ bền vữa xi măng tiếp xúc môi trường sunfat Cụ thể hơn, nhiệt độ thấp tác nhân thúc đẩy trình xâm thực sunfat. .. gian nhiệt độ khác thể hình 6,7 Từ biểu đồ thấy cường độ mẫu làm từ xi măng PCsr vữa tăng theo thời gian theo quy luật phát triển cường độ vật liệu gốc xi măng, thang nhiệt độ Điều chứng tỏ xi măng. .. rõ ảnh hưởng nhiệt độ đến cường độ mẫu vữa theo thời gian, hình thể suy giảm cường độ, tính % ngày 270 so với ngày 90 trường hợp sử dụng xi măng PCB Biểu đồ cho thấy nhiệt độ thấp 50C, cường độ