Nước biển của các đại dương trên thế giới chứa khoảng 3,5% tổng lượng các muối hoà tan, cụ thể là 2,73% NaCl; 0,32% MgClR2R; 0,22% MgSOR4R; 0,13% CaSOR4R; 0,02 KHCOR3R và một lượng nhỏ COR2R và OR2R hồ tan. Ngồi ra trong nước biển cịn có các hợp chất hố học như nitrit, nitrat, photphat, silicdioxit, cũng như các loại muối bromua, iodua …. Độ pH của nước biển đạt 8,0. Nước biển Việt Nam có thành phần hố học, độ mặn tương tự với nước biển ở các nước khác trên thế giới, riêng ở vùng bờ thì độ mặn có suy giảm ít nhiều do ảnh hưởng của nước ở một số con sông lớn chảy ra biển.
Trong nước biển có ion clo Clˉ. Như vậy có thể sinh phản ứng hố học với Ca(OH)R2R trong đá xi măng và bê tông để tạo ra CaClR2R như phản ứng hoá học giữa HCl và Ca(OH)R2R (Các phản ứng (2.3), (2.7)).
Trong nước biển có ion SOR4RP
2 -
P
như vậy nó có thể phản ứng hố học với Ca(OH)R2R trong bê ơng để tạo ra CaSO4 sau đó lại tương tác với 3CaOAlR2ROR3R.6HR2RO và nước để tạo ra 3CaO.AlR2ROR3R.3CaSOR4R.31HR2RO gây trương nở đá xi măng và phá hủy cấu trúc bê tông (Các phản ứng (2.8), (2.9) và (2.10))
Trong nước biển có MgP
2-
P
, lại có Clˉ, SOR4RP
2 -
P
như vậy có thể chứa muối manhe (manhê clorua, manhê sunphat …) và sẽ tương tác với Ca(OH)R2R để tạo
32
ra Mg(OH)R2R là một chất rời rạc không keo kết, làm suy giảm cấu trúc của bê tông (Các phản ứng (2.6), (2.7)).
Trong nước biển có ion NaP
+
P
, như vậy có thể xảy ra phản ứng của Na với COR2Rvà nước để tạo ra NaR2RCOR3R (phản ứng 2.17).
Thực tế cho thấy, trên các kết cấu cơng trình bê tơng cốt thép có sử dụng cát hoặc nước bị nhiễm mặn để chế tạo bê tơng thì sau khoảng thời gian từ 5 đến 7 năm đã xuất hiện hiện tượng ăn mịn rõ ràng. Trên bề mặt lớp bê tơng bảo vệ thường xuất hiện các vết nứt bề rộng từ 5 đến 7 mm chạy dọc theo cốt thép chịu lực; nhiều chỗ lớp bê tông bảo vệ bong tách hẳn do lớp gỉ thép quá dày; tiết diên cốt thép có thể bị giảm tới 20 ÷ 60% so với ban đầu; các cốt đai nằm ở phía ngồi thường bị gỉ nặng hơn và bị đứt nhiều; các cốt thép bị lộ ra ngồi. Cịn trên các kết cấu bê tơng cốt thép khác thì thời gian xảy ra sự ăn mòn chậm hơn, thường là sau khoảng 15 ÷ 20 năm sử dụng.
Các cơng trình thủy lợi bằng bê tơng hoặc bê tông cốt thép được xây dựng trong nước biển hoặc vùng ven biển chịu tác động trực tiếp của các yếu tố xâm thực của môi trường biển mà đặc trưng là bốn loại yếu tố sau:
+ Các yếu tố hóa học: Nước biển có chứa các ion khác nhau của các loại
muối.
+ Các yếu tố biến động của nước biển và thời tiết: Nước thủy triều lên xuống nên một số bộ phận bị khô ẩm liên tiếp.
+ Các yếu tố vật lý: Nhiệt độ biến đổi.
+ Các yếu tố cơ học: Tác động của sóng xói mịn trên bề mặt bê tông.
Tác động phối hợp của các yếu tố này làm cho các cơng trình thủy lợi bằng bê tông và bê tông cốt thép trong môi trường biển và ven biển bị ăn mòn mạnh. Xét về bản chất có một số dạng ăn mịn chính sau đây:
33
+ Ăn mòn cốt thép trong vùng khơng khí biển và vùng thủy triều lên xuống.
+ Ăn mịn bê tơng do vi sinh vật biển. Các vi sinh vật trong nước biển có khả năng tiết ra một số hợp chất hóa học tác dụng với thành phần đá xi măng gây ăn mịn bê tơng theo cơ chế hóa học. Trong các dạng ăn mịn này thì ăn mịn hóa học của bê tông và cốt thép trong môi trường thủy triều lên xuống là phổ biến và nghiêm trọng nhất, ảnh hưởng đáng kể chất đến tuổi thọ các cơng trình bê tơng cốt thép.
Đối với các cơng trình vượt biển như cầu hay cảng, kè, cống vùng triều, q trình ăn mịn kết cấu có thể xảy ra ở ba vùng chính khác nhau:
+ Vùng thường xuyên ngập nước: chủ yếu xảy ra ăn mịn hóa học và ăn mịn vi sinh ở mức độ nhỏ đối với bê tông.
+ Vùng thủy triều lên xuống: Ở đây xảy ra q trình ăn mịn hóa học và ăn mịn vi sinh đối với bê tơng, ăn mịn cốt thép, tác động phá hủy vật lý và va đập, mài mịn cơ học.
+ Vùng khơng khí biển (khơng khí chứa các muối phân tán): Chủ yếu là ăn mòn cốt thép, dẫn tới làm nứt nẻ, phá hoại lớp bê tông bảo vệ
Môi trường biển là mơi trường hố học, vì vậy q trình ăn mịn bê tơng trong mơi trường nước biển có thể được mơ tả tóm tắt như sau:
+ Trong xi măng có chứa khống 3CaO.AlR2ROR3R, khi thuỷ hoá tạo ra khoáng hyđro aluminat canxi dạng: 3CaO.AlR2ROR3R.6HR2RO (CR3RAHR6R). Khi nước biển thấm vào khối bê tông sẽ xảy ra phản ứng :
CR3RAHR6R + 3CaP 2+ P + 3SOR4RP 2- P + 26HR2RO → CR3RA3CaSOR4R.32HR2RO (2.25)
Sản phẩm của phản ứng (ettringit) có thể tích tăng gấp 4,76 lần so với các chất tham gia phản ứng tạo ra ứng suất phá vỡ cấu trúc đá xi măng.
34
Khoáng CR3RS trong xi măng khi thuỷ hố giải phóng ra Ca(OH)R2R và trong khi nước biển thấm vào bê tông sẽ xảy ra các phản ứng :
Ca(OH)R2R + MgP +2 P + 3SOR4RP -2 P + 2HR2RO → CaSOR4R.2HR2RO + Mg(OH)R2 R(2.26)
Các sản phẩm của phản ứng này bị hoà tan và bị rửa trôi trong nước biển.
+ Bản thân các sản phẩm thuỷ hố chính của xi măng là các hydro silicat canxi cũng bị phản ứng hoá học tạo thành các sản phẩm dễ bị hồ tan, ví dụ:
3CaO.2SiOR2R.3HR2RO + 3MgSOR4R.nHR2RO → 3(CaSOR4R.HR2RO) + 2SiOR2R.nHR2RO
+3Mg(OH)R2 R(2.27)
Như vậy, đối với các cơng trình thủy lợi vùng biển bằng bê tơng và bê tông cốt thép, q trình ăn mịn là một qúa trình phức tạp có thể xảy ra do một hay nhiều loại ăn mịn khác nhau. Ngun nhân chính làm phá hủy bê tơng là do muối sunfat ăn mòn đá xi măng và tác động. Và ion Clo có mặt trong lớp bê tông bảo vệ là nguyên nhân trực tiếp gây ăn mòn cốt thép.
2.5 Kết luận chương 2
Chương 2 đã giới thiệu về đặc điểm ăn mòn bê tông và các cốt thép trong các cơng trình thủy lợi, đặc biệt là các cơng trình bê tơng cốt thép. Các bộ phận thuộc kết cấu đều có thể bị ăn mịn, trong phần tiếp giáp với nước là phần dễ bị ăn mịn nhất do có tiếp xúc thường xuyên với nước.
Ăn mịn bê tơng có thể là do sự hịa tan các sản phẩm thủy hóa trong xi măng, do phản ứng của đá xi măng với mơi trường bên ngồi hay do sự trương nở của đá xi măng do sự tích tụ và tạo thành các tinh thể muối bên trong kết cấu đá xi măng.
35
Sự ăn mịn bê tơng khiến cho lớp bê tơng bảo vệ bên ngồi các cốt thép bị nứt và phá hủy, tạo điều kiện cho sự thấm nhập các ion Clˉ gây xuyên thủng lớp màng thụ động xung quanh các cốt thép gây ra ăn mịn điện hóa các cốt thép.
Trong mơi trường xâm thực, đặc biệt là môi trường nước biển hay ven biển, sự có mặt với hàm lượng cao của các ion Clˉ, SOR4RP
-2
P
cộng với sự lên xuống của thủy triều đã tạo điều kiện cho bê tơng và các cốt thép bị ăn mịn nhanh chóng hơn. Nếu các nhà thiết kế và thi cơng các cơng trình thủy lợi khơng chú ý đến hàm lượng các muối trên trong khi sử dụng các vật liệu tại chỗ để thi cơng các cơng trình thủy lợi thì sự ăn mịn xảy ra càng sớm hơn, thường là sau 5 ÷ 7 năm đã quan sát được rõ ràng. Bản thân bê tông khi chưa nứt cũng đã có khả năng bị thấm nước và khí là ngun nhân gây ăn mịn cả bê tơng lẫn cốt thép. Nếu có tác động của tải trọng và nhiệt độ cao, gây ra các phá hủy cơ học và phá hủy nhiệt thì tốc độ ăn mịn bê tông và cốt thép xảy ra càng nhanh. Hậu quả là tuổi thọ cơng trình sẽ bị giảm, chi phí duy tu bảo dưỡng phát sinh nhiều.
36
CHƯƠNG 3
KẾT QUẢ THỰC NGHIỆM ĐỘ THẨM THẤU CỦA NƯỚC,
KHƠNG KHÍ VÀ ION CLˉ QUA BÊ TÔNG DƯỚI TÁC ĐỘNG
CỦA TẢI TRỌNG VÀ NHIỆT ĐỘ MƠI TRƯỜNG
Độ thấm thấu của bê tơng là một đặc tính quan trọng của bê tơng bên cạnh các đặc trưng cơ học, những đặc điểm này cho phép đánh giá chất lượng của bê tông. Phân tích độ thẩm thấu của chất lưu qua bê tơng sẽ góp phần kiểm sốt sự ổn định của các kết cấu cơng trình bằng bê tơng và bê tông cốt thép về mặt tuổi thọ cũng như là các ảnh hưởng đến tiện nghi trong cuộc sống của con người.
Khả năng chống thấm của bê tông liên hệ mật thiết với cấu trúc vi mô của vật liệu này. Việc tồn tại đồng thời các pha rắn, lỏng và hơi trong cấu trúc của bê tơng có ảnh hưởng rất lớn đến tính chống thấm. Tùy vào trạng thái cơ- thủy-nhiệt (thermo-hydro-mechanic) của bê tông mà các pha cấu thành bê tông này cũng như ma trận các lỗ rỗng tồn tại trong cấu trúc vi mô của bê tông sẽ biến đổi khác nhau. Thật vậy, dưới tác động của tải trọng và nhiệt độ, sự xuất hiện các đường nứt cũng như sự bay hơi nước lỗ rỗng trong bê tơng làm gia tăng tính rỗng của bê tơng, hậu quả là làm khả năng chống thấm của bê tông bị giảm mạnh. Để đánh giá mức độ cho phép thấm thấu của khơng khí hoặc nước qua bê tơng, 3 yếu tố cơ bản cần phải xét đến đồng thời là độ rỗng (porosity), tính thơng nhau của các lỗ rỗng (connectivity) và độ dài (hay độ ngoằn nghoèo) của đường thông nhau của các lỗ rỗng (tortuosity). Khi bê tông xuất hiện các đường nứt vì nhiều nguyên nhân, các yếu tố cơ bản như độ rỗng và tính thơng nhau của các lỗ rỗng tăng nhanh trong khi khoảng cách giữa các lỗ rỗng sẽ giảm, điều này sẽ làm cho khả năng chống thấm của bê tông giảm xuống.
37
Trong phần này, chúng tơi thực hiện các thí nghiệm để đánh giá sự suy giảm khả năng chống thấm của bê tông dưới tác động của tải trọng và nhiệt độ thông qua việc đo đạc độ thấm khí nitơ (NR2R) và độ thấm nước của bê tơng thường điển hình thường dùng trong xây dựng cơng trình có cường độ chịu nén xấp xỉ 30 MPa. Các mẫu thí nghiệm dạng trụ tròn khoét rỗng ở tâm và các mẫu lập phương được lựa chọn trên cơ sở tham khảo các dạng mẫu thí nghiệm đã được các tác giả trên thế giới tiến hành như Sugiyama & al (1996) Picandet (2001), Dal Pont (2004); Lion & al (2005), Banthia (2002), Choinska (2006).
3.1 Công tác chuẩn bị thí nghiệm
3.1.1 Cơ sở thành lập đề cương thí nghiệm
Đề cương thí nghiệm đo độ thấm nước và thấm khí của bê tơng được thành lập trên cơ sở các tài liệu cần thiết sau:
+ Các tiêu chuẩn Việt nam về vật liệu và kết cấu bê tông như TCN- 272-05, TCN18-79, TCVN 3121-97, TCVN3116-93.
+ Các quy định và gợi ý của RILEM về thí nghiệm bê tơng.
+ Các tiêu chuẩn và các quy trình về bê tơng trên thế giới (EUROCODE- 2, ASSHTO – LRFD - 1998, ASTM Standards…).
+ Khả năng về cơ sở vật chất và nhân lực của các phịng thí nghiệm ở Việt nam, đặc biệt là phịng thí nghiệm LAS - XD 125 và LAS - 171.
+ Các kết quả nghiên cứu về đo đạc độ thấm nước và khơng khí của bê tơng đã công bố trên thế giới.
3.1.2 Chuẩn bị các mẫu thí nghiệm
3.1.2.1 Bê tơng
Bê tơng sử dụng trong các thí nghiệm này là bê tơng thường có cường độ chịu nén f’c = 30 MPa được ký hiệu là M30.
38
3.1.2.2 Mẫu thử nghiệm
Hai dạng mẫu bê tơng được sử dụng trong các thí nghiệm này: các mẫu hình trụ khoét lỗ được dùng để đo độ thấm khí của bê tơng ; các mẫu hình lập phương được dùng để đo độ thấm nước của bê tơng (Hình 3.1)