Ứng dụng mô hình tang luping olofnilsson để khảo sát sự khuếch tán CI trong bê tông và nghiên cứu ảnh hưởng của phụ gia đến quá trình này

MỤC LỤC trang MỞ ĐẦU Chương Tổng quan 1.1 Giới thiệu chung xi măng bê tơng 1.1.1 Xi măng 1.1.1.1 Q trình hydrat hoá C3S 1.1.1.2 Phản ứng canxi aluminat C3A với thạch cao 1.1.1.3 Phản ứng hydrat hoá C4AF 1.1.2 Bê tông 1.1.2.1 Khái niệm bê tông bê tông cốt thép 1.1.2.2 Các yếu tố ảnh hưởng đến chất lượng bê tông 1.2 Thực trạng cơng trình BTCT vùng biển Việt Nam 1.3 Nguyên nhân phá hoại công trình BTCT vùng biển 11 1.3.1 Sự ăn mịn cốt thép 12 1.3.1.1 Sự ăn mòn cốt thép trình cacbonat hố 14 1.3.1.2 Sự ăn mịn cốt thép ion clo 14 1.3.2 Sự phá vỡ lớp phủ bê tông 18 1.3.2.1 Tác động băng giá 18 1.3.2.2 Tác động hoá học 18 1.3.2.3 Tác động vi sinh vật 20 1.3.3 Kết luận phá huỷ BTCT môi trường biển 20 1.4 Sự khuếch tán ion clo bê tông – Các dạng tồn ion clo 21 bê tông 1.4.1 Sự khuếch tán 22 1.4.2 Dạng tồn ion clo bê tông 25 1.5 Các yếu tố ảnh hưởng đến hệ số khuếch tán 27 1.5.1 ảnh hưởng nồng độ 28 1.5.2 Ảnh h-ëng cđa nhiƯt ®é 28 1.5.3 ảnh h-ởng tốc độ trôi dạt ion 28 1.5.4 ảnh hưởng độ dẫn điện ion 29 1.5.5 Ảnh h-ëng cđa ®é xèp cđa vËt liƯu 1.6 Xác định nhanh độ thấm ion clo bê tông 1.7 Phụ gia cho bê tông Ch-ơng Thực nghiệm 2.1 Nội dung nghiên cứu 2.1.1 Xác định hệ số khuếch tán theo phương pháp ngâm lâu dài 2.1.2 Xác định nhanh hệ số khuếch tán ion clo bê tông 2.1.3 Khảo sát dạng nồng độ ion clo bê tông mối quan hệ chúng việc tính hệ số khuếch tán 2.1.4 Xem xét phụ thuộc hệ số khuếch tán vào tỷ lệ X:C việc sử dụng phụ gia 2.1.5 Tính tốn thời điểm bắt đầu ăn mịn cốt thép cơng trình BTCT mơi trường biển 2.2 Phương pháp nghiên cứu 2.2.1 Phương pháp ngâm lâu dài (phương pháp khoan chuẩn) 2.2.2 Phương pháp xác định nhanh khuếch tán ion clo có áp dụng điện trường Tang Luping Lars Olof Nilsson 2.2.3 Phương pháp xác định dạng nồng độ ion clo bê tông 2.2.3.1 Phương pháp ASTM C1218-92 2.2.3.2 Phương pháp ASTM C1152-90 2.2.4 Phương pháp qui hoạch thực nghiệm xác định tỷ lệ tối ưu phụ gia siêu dẻo silica fume 2.2.5 Các phương pháp khác 2.3 Dụng cụ hoá chất 2.3.1 Dụng cụ 2.3.2 Hoá chất 2.4 Phần mềm máy tính Chương Kết thảo luận 3.1 Xác định hệ số khuếch tán ion clo bê tông theo phương pháp ngâm lâu dài 3.2 Xác định nhanh hệ số khuếch tán ion clo bê tông 29 30 35 37 37 37 37 37 37 38 38 38 39 41 41 41 42 46 49 49 49 50 51 51 53 cách sử dụng điện trường theo Tang Luping Lars Olof Nilsson 3.2.1 Bài tốn mơ hình hố 3.2.2 Xác định nhanh hệ số khuếch tán ion clo bê tông 3.2.3 Kết thảo luận 3.3 Một số yếu tố ảnh hưởng đến hệ số khuếch tán Cl bê tông 3.3.1 Sự ảnh hưởng tỷ lệ Xi măng:Cát 3.3.2 Sự ảnh hưởng phụ gia đến hệ số khuếch tán Cl bê tông 3.3.2.1 Tỷ lệ phụ gia tối ưu cho cường độ kháng nén 3.3.2.2 Tỷ lệ phụ gia tối ưu cho cường độ kháng uốn 3.3.3 ảnh hưởng nhiệt độ đến hệ số khuếch tán Cl bê tông 3.4 Các dạng tồn ion clo bê tông 3.5 Dự đốn thời điểm Cl bắt đầu ăn mịn cốt thép KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ CÁC CƠNG TRÌNH KHOA HỌC LIÊN QUAN ĐẾN LUẬN ÁN TÀI LIỆU THAM KHẢO PHỤ LỤC 53 65 67 73 73 74 78 84 89 90 94 104 106 107 BẢNG KÝ HIỆU VIẾT TẮT BTCT: bê tông cốt thép C: cát C3A: aluminat tricanxit (3CaO.Al2O3) C4AF: canxi aluminoferit (4CaO.Al2O3.Fe2O3) C2F: canxi ferit (2CaO.Fe2O3) C3S: silicat tricanxit (3CaO.SiO2) C2S: silicat bicanxit (2CaO.SiO2) CSF: silica fume DTG (derivative thermogravimetry): phương pháp đạo hàm nhiệt khối DSC (differential scaning calorimetry): phương pháp nhiệt lượng kế quét vi sai Luks: Luksvaxi - Thừa Thiên Huế MC (marine spray cycles): chu trình phun sương nước biển MFS: melamin formaldehyt sunfonat MSA: canxi mono-sunfo aluminat NFS: naphtalen formaldehyt sunfonat N: nước OPC (ordinary portland cement): xi măng portland thông thường TC (tidal cycles): chu trình thuỷ triều X: xi măng DANH MỤC HÌNH Hình 1.1 Các vùng tiếp xúc chế chuyển vận chất vào bê trang 12 tơng mơi trường biển Hình 1.2 Các q trình vật lý hoá học gây nên phá huỷ cơng 12 trình BTCT mơi trường biển Hình 1.3 Sự biến đổi hợp phần hoá học pha nước chiết xi 13 măng theo thời gian Hình 1.4 Giản đồ Pourbaix có khơng có ảnh hưởng 15 ion clo Hình 1.5 Cơ chế ăn mịn cốt thép bê tơng 16 Hình 1.6 Dạng điển hình khuếch tán ion clo vào bê tơng 22 Hình 1.7 Quá trình khuếch tán 23 Hình 1.8 Sự thay đổi nồng độ ion clo tự theo lượng C3A chứa 25 xi măng Hình 1.9 Sơ đồ thiết bị đo theo AASHTO T227 30 Hình 1.10 Cấu tạo phân tử melamin formaldehyt sunfonat 35 Hình 1.11 Cấu tạo phân tử naphtalen formaldehyt sunfonat 36 Hình 2.1 Mẫu thử nghiệm xác định độ thấm Cl phương pháp 39 khoan chuẩn Hình 2.2 Sơ đồ uốn mẫu 47 Hình 2.3 Sơ đồ nén nửa mẫu hình rầm 48 Hình 3.1 Đồ thị C(x,t) theo Luping Nilsson E = 600(V/m) 55 Hình 3.2 Đồ thị đạo hàm cấp hai hàm C(x,t) 63 Hình 3.3 Đồ thị khuếch tán ion Cl E = 64 Hình 3.4 Đồ thị khuếch tán ion Cl E = 300(V/m) 65 Hình 3.5 Đồ thị khuếch tán ion Cl E = 600(V/m) 65 Hình 3.6 Thiết bị xác định hệ số khuếch tán Cl có sử dụng điện 66 trường Hình 3.7 Sự thay đổi nhiệt độ theo thời gian 67 Hình 3.8 Sự thay đổi cường độ dịng theo thời gian 68 Hình 3.9 Hàm lượng Cl theo chiều sâu 69 Hình 3.10 Đồ thị khuếch tán Cl với t = 16 70 Hình 3.11 Đồ thị khuếch tán Cl với t = 71 Hình 3.12 Giản đồ Pareto cho cường độ kháng nén 79 Hình 3.13 Mặt mục tiêu đường mức hàm kháng nén 84 Hình 3.14 Giản đồ Pareto cho cường độ kháng uốn 86 Hình 3.15 Mặt mục tiêu đường mức hàm kháng uốn 87 Hình 3.16 Phương trình Arrhenius hệ số khuếch tán theo 89 điều kiện thí nghiệm Hình 3.17 Mối quan hệ nồng độ ion clo tổng ion clo tự 91 Hình 3.18 Mối quan hệ hệ số khuếch tán hiệu dụng Dca 95 thời gian t Hình 3.19 Quan hệ tuyn tớnh gia log Dca logt hỗn hợp khác 96 DANH MC BNG Bng 1.1 Thành phần hố học xi măng portland thơng thường trang Bảng 1.2 Thành phần pha clinke Bảng 1.3 Kết khảo sát tình trạng ăn mịn hư hỏng cơng trình BTCT vùng khí ven biển Bảng 1.4 Bảng đánh giá độ thấm bê tông theo phương pháp 31 Whiting Bảng 1.5 Dữ liệu phân tích nước lỗ hổng bột nhão không chứa Cl 33 Bảng 1.6 Độ dẫn điện đương lượng ion dung dịch 33 nước 25oC Bảng 2.1 Bảng ma trận thực nghiệm theo mô hình bậc tâm xoay 44 Bảng 2.2 Giá trị cánh tay đòn d qui hoạch tâm xoay 44 Bảng 3.1 Hàm lượng ion clo (% khối lượng mẫu) theo độ sâu (tỷ lệ 52 X:C:N = 1:3:0,5) Bảng 3.2 Hệ số khuếch tán theo phương pháp ngâm lâu dài 53 Bảng 3.3 Hàm lượng ion clo (% khối lượng mẫu) theo độ sâu (tỷ lệ 69 X:C:N = 1:2:0,5) Bảng 3.4 Hệ số khuếch tán mẫu theo thời gian áp điện trường 70 Bảng 3.5 Hàm lượng ion clo (% khối lượng mẫu) theo độ sâu (tỷ lệ 72 X:C:N = 1:3:0,5) Bảng 3.6 Hệ số khuếch tán theo phương pháp khác 72 Bảng 3.7 Hàm lượng ion clo (% khối lượng mẫu) phụ thuộc tỷ lệ 73 X:C:N Bảng 3.8 Hệ số khuếch tán mẫu phụ thuộc tỷ lệ X:C:N 73 Bảng 3.9 Thành phần clinke PC40 Luks silica fume 74 Bảng 3.10 Tính chất lý xi măng PC40 Luks 74 Bảng 3.11 Cố định 10% siêu mịn, thay đổi tỷ lệ siêu dẻo 76 Bảng 3.12 Cố định 1% siêu dẻo, thay đổi tỷ lệ siêu mịn 76 Bảng 3.13 Các mẫu bê tơng có tỷ lệ siêu mịn, siêu dẻo thay đổi 76 Bảng 3.14 Độ kháng uốn kháng nén 77 Bảng 3.15 Ma trận thực nghiệm cho cường độ kháng nén 78 Bảng 3.16 Bảng phân tích hệ số 78 Bảng 3.17 Bảng phân tích ANOVA 79 Bảng 3.18 Ma trận thực nghiệm cho cường độ kháng uốn 84 Bảng 3.19 Bảng phân tích hệ số 85 Bảng 3.20 Bảng phân tích ANOVA 85 Bảng 3.21 Hàm lượng ion clo (% khối lượng mẫu) theo độ sâu 88 (mẫu ngâm tháng) Bảng 3.22 Hệ số khuếch tán mẫu ngâm tháng 88 Bảng 3.23 Hàm lượng ion clo (% khối lượng mẫu) theo độ sâu 88 (mẫu áp điện trường giờ) Bảng 3.24 Hệ số khuếch tán mẫu áp điện trường 88 Bảng 3.25 Hàm lượng Cl nước ép 92 Bảng 3.26 Hàm lượng dạng ion clo (% khối lượng mẫu) (tỷ lệ 93 X:C:N = 1:3:0,5) Bảng 3.27 Thành phần hoá học nước biển Việt Nam nơi 98 khác giới Bảng 3.28 Loại xi măng dùng cho cơng trình vùng biển 98 MỞ ĐẦU Với thực tế cơng trình bê tơng cốt thép (BTCT) mơi trường biển thường có tuổi thọ thấp nhiều so với tuổi thọ thiết kế Điều gây thiệt hại tài lớn cho công tác tu sửa chữa Do việc nâng cao tuổi thọ cho cơng trình BTCT mơi trường biển mối quan tâm nhà khoa học viện nghiên cứu lớn tồn giới Việt Nam có 3000 km bờ biển, nhiều đảo, có thềm lục địa rộng lớn Trong công phát triển kinh tế bảo vệ quốc phịng nay, bên cạnh cơng trình BTCT vùng biển có, nhà nước xây dựng ngày nhiều cơng trình cầu cảng, dàn khoan dầu khí, khu du lịch, cơng trình quốc phịng đảo v.v với số vốn đầu tư hàng năm lên đến hàng nghìn tỷ đồng Tuy nhiên nhiều cơng trình có với niên hạn sử dụng 20 đến 30 năm bị ăn mòn hư hỏng nghiêm trọng, hàng năm nhà nước phải đầu tư nhiều tỷ đồng cho cơng tác sửa chữa Có nhiều ngun nhân đồng thời tác động gây nên phá hoại cơng trình BTCT vùng biển khí hậu, xâm thực vật lý, xâm thực hoá học, tác động vi sinh vật, chúng làm hư hỏng kết cấu bê tơng ăn mịn cốt thép Về mặt hố học yếu tố gây nên phá huỷ BTCT khí CO2, ion SO24 , ion Cl, Tuy nhiên nhà khoa học thống nhận định nguyên nhân chủ yếu gây nên hư hỏng cơng trình BTCT mơi trường biển khuếch tán ion Cl vào bê tông, gây nên ăn mòn cốt thép Để đánh giá khuếch tán ion clo bê tông, người ta dựa vào hệ số khuếch tán ion clo bê tông Một phương pháp chuẩn thường dùng để xác định hệ số khuếch tán ion clo phương pháp khoan chuẩn (phương pháp ngâm lâu dài, AASHTO T259) Đáng tiếc phương pháp tiêu tốn nhiều thời gian, chí đến hàng năm, khơng đáp ứng yêu cầu nhà thiết kế kỹ sư xây dựng Hiện có phương pháp chuẩn sử dụng phổ biến để xác định nhanh độ thấm bê tông phương pháp Whiting (AASHTO T277, ASTM C1202), song phương pháp có nhiều nhược điểm, đặc biệt khơng cho biết thấm thân ion clo mà cho biết tổng điện lượng qua mẫu bê tông Để khắc phục nhược điểm phương pháp Whiting, nhiều nhà khoa học tập trung vào việc mơ hình hố khuếch tán ion clo bê tơng nhằm xác định nhanh hệ số khuếch tán ion clo bê tơng Trong số phương pháp mơ hình hố này, có phương pháp hấp dẫn mà dự định sử dụng việc nghiên cứu phương pháp mơ hình hố xác định nhanh hệ số khuếch tán ion clo bê tông cách sử dụng điện trường Tang Luping Lars Olof Nilsson, thiết bị sử dụng tương đối đơn giản áp dụng cho phịng thí nghiệm điều kiện nước ta Đây lý chúng tơi chọn đề tài: Ứng dụng mơ hình Tang Luping – Olof Nilsson để khảo sát khuếch tán Cl bê tông nghiên cứu ảnh hưởng phụ gia đến trình Tuy nhiên sử dụng lời giải tác giả để khảo sát hệ số khuếch tán ion clo, phát có nhầm lẫn, cho kết không phù hợp với công bố tác giả Từ bắt buộc phải tiến hành giải lại tốn mơ hình hố Lời giải mà thu được, áp dụng cho liệu Tang Luping Lars Olof Nilsson cho kết hoàn toàn phù hợp với kết thu họ Từ khẳng định lời giải chúng tơi thu xác Sử dụng mơ hình chúng tơi tiến hành xác định hệ số khuếch tán ion clo, sau so sánh với hệ số khuếch tán ion clo thu phương ... số khuếch tán ion clo bê tông 3.2.3 Kết thảo luận 3.3 Một số yếu tố ảnh hưởng đến hệ số khuếch tán Cl bê tông 3.3.1 Sự ảnh hưởng tỷ lệ Xi măng:Cát 3.3.2 Sự ảnh hưởng phụ gia đến hệ số khuếch tán. .. số khuếch tán ion clo bê tông 2.1.3 Khảo sát dạng nồng độ ion clo bê tông mối quan hệ chúng việc tính hệ số khuếch tán 2.1.4 Xem xét phụ thuộc hệ số khuếch tán vào tỷ lệ X:C việc sử dụng phụ gia. .. hư hỏng cơng trình BTCT mơi trường biển khuếch tán ion Cl vào bê tông, gây nên ăn mòn cốt thép Để đánh giá khuếch tán ion clo bê tông, người ta dựa vào hệ số khuếch tán ion clo bê tông Một phương