CHƯƠNG 1:TỔNG QUAN VỀ ĐỘ BỀN CỦA BÊ TÔNG VÀ CÁC NGHIÊN CỨU LIÊN QUAN ĐẾN ĐỘ THẤM NƯỚC, KHUẾCH TÁN ION CLORUA CỦA BÊ TÔNG
1.3. CÁC NGHIÊN CỨU VỀ ĐỘ THẤM NƯỚC VÀ KHUẾCH TÁN ION
1.3.1. Các nghiên cứu về độ thấm nước của bê tông
1.3.1.1. Độ thấm nước của bê tông không chịu tải trọng
Albert K.H. Kwan and Henry H.C. Wong [25] cho rằng, khi áp dụng luật thấm Darcy (1856) đối với bê tông, ta gặp phải những khó khăn sau:
- Có những loại lỗ rỗng khác nhau trong bê tông: như lỗ rỗng gen, lỗ rỗng mao mạch, lỗ rỗng khí trong vữa xi măng và lỗ rỗng trong đá cốt liệu. Mỗi lỗ có kích thước và tính chất khác nhau, do đó dẫn đến sự khác biệt về độ thấm chung của bê tông
- Sự phân bố trong không gian của các lỗ rỗng là không đồng đều.
- Tính thấm của một loại vật liệu rỗng không chỉ phụ thuộc vào kích thước, độ ngoằn ngoèo của các lỗ rỗng, mà còn phụ thuộc vào tính thông nhau giữa các lỗ rỗng. Trong số các loại lỗ rông trong bê tông, lỗ rỗng khí thường bị cô lập trong khi lỗ rỗng mao mạch thường liên thông với nhau dưới dạng mao mạch, dẫn đến sự khác nhau về tính thấm của bê tông.
Tuy nhiên, năm 1995, Neville [72] đã chứng minh rằng, mặc dù có những khó khăn như trên nhưng có thể nói rằng những lỗ rỗng có liên quan đến tính thấm nước của bê tông là những lỗ liên thông với nhau và có kích thước nhỏ nhất là 120nm. Do đó, các lỗ rỗng gen (đường kính khoảng 9nm) và lỗ rỗng khí có thể được bỏ qua.
Các lỗ rỗng đóng góp nhiều nhất vào tính thấm của bê tông là các lỗ rỗng mao mạch.
Mối quan hệ giữa độ thấm và lỗ rỗng mao mạch của vữa xi măng đã được Powers nghiên cứu chỉ ra năm 1958 [76] như trong biểu đồ Hình 1.3.
Hình 1.3 - Ảnh hưởng của lỗ rỗng mao mạch đến độ thấm (Powers (1958))
Với tầm quan trọng của việc xác định độ thấm của bê tông, một loạt các phương pháp đã được đề xuất để đo giá trị này. Nói chung, các phương pháp này có thể được phân thành hai loại: phương pháp trực tiếp và gián tiếp.
Hầu hết các phương pháp trực tiếp để xác định độ thấm của vật liệu rỗng xốp dựa vào định luật của Darcy. Năm 1989, Ludirdja D. và cộng sự [46] đưa ra một phương pháp đơn giản để xác định độ thấm nước của bê tông. Ông cho dòng nước đi qua một mẫu hình trụ mỏng dưới một gradient áp lực bằng một cột nước áp lực ở một phía của mẫu, trong khi vẫn giữ phía bên kia ở áp suất khí quyển. Dựa vào các
thông số hình học của mẫu, độ thấm được tính trực tiếp từ công thức của Darcy.
Mặc dù các phương pháp này tương đối đơn giản, nhưng mất rất nhiều thời gian để đạt được điều kiện lưu lượng trạng thái ổn định (cần đến vài tuần cho mẫu có hệ số thấm kw khoảng 10-11 m/s).
Nhược điểm của phương pháp thí nghiệm trên là quá trình hydrat hóa trong thời gian thử nghiệm dài như vậy có thể làm thay đổi cấu trúc lỗ rỗng và có thể dẫn đến sự thay đổi tính thẩm của bê tông. Để giảm thời gian đó, các nhà nghiên cứu đã đề xuất áp dụng thêm một áp suất bổ sung (ví dụ khoảng 15.105 Pa), chứ không chỉ dùng áp lực cột nước ở phía 1 đầu mẫu. Tuy nhiên, do áp suất thí nghiệm cao hơn, xác suất rò rỉ tại mặt tiếp xúc của mẫu và khuôn thí nghiệm có thể lớn hơn.
Năm 1994, Eldieb và Hooton [16] đã giới thiệu một phương pháp thí nghiệm sử dụng một hộp ba trục áp suất cao để đo tính thấm nước của mẫu bê tông chất lượng cao. Một áp suất giới hạn được áp dụng cho mẫu hình trụ thông qua môt ống bọc cao su để tránh rò rỉ nước xung quanh các mặt. Thí nghiệm tiến hành với ba mẫu hỗn hợp bê tông được thiết kế để có một khoảng rộng các giá trị độ thấm, để đánh giá độ nhạy cảm của phương pháp thử với mẫu có hệ số thấm cao và mẫu có hệ số thấm thấp. Giá trị cường độ chịu nén của 3 mẫu sau 28 ngày lần lượt là 29, 42, 74MPa. Kết quả thí nghiệm cho thấy, hệ số thấm thay đổi trong khoảng thời gian thí nghiệm. Tổng thời gian thí nghiệm để hệ số thấm đạt 1x10-14m/s là khoảng 160 giờ và với hệ số thấm 1x10-16 là khoảng 330 giờ. Điều này là đúng với dự đoán do phép đo hệ số thấm thấp tùy thuộc vào khoảng thời gian cần thiết dài hơn để thiết lập trạng thái chảy ổn định. Với các hệ số thấm theo thứ tự là 1x10-12, 1x10-13, 1x10-14, 1x10-16 m/s, thời gian khởi tạo tương ứng là khoảng 130, 140, 150 và 250 giờ. Kết quả thí nghiệm được trình bày trong biểu đồ Hình 1.4.
Hình 1.4 - Hệ số độ thấm với khoảng thời gian khởi tạo và tổng thời gian thí nghiệm (ElDieb and Hooton (1995))
Thay vì thí nghiệm với những dòng chảy dọc theo chiều cao mẫu, Abderrachid Amriou cùng cộng sự [19] đề xuất dòng chảy hướng tâm qua mẫu, được tạo ra bằng cách tác dụng một áp suất thủy tĩnh lên bề mặt phía ngoài của mẫu hình trụ rỗng làm cho nước di chuyển từ bên ngoài bề mặt vào bên trong mẫu. Bằng cách đo tốc độ dòng chảy ra, độ thấm được tính bằng một dạng thay đổi từ định luật thấm Darcy. Ông tiến hành thí nghiệm đo tính thấm với 12 mẫu bê tông khác nhau về cấp phối thành phần. Kết quả thí nghiệm cho các đường cong quan hệ của hệ số thấm theo thời gian. Những đường cong trong Hình 1.5 cho thấy tỷ lệ N/X ảnh hưởng lớn đến độ thấm của bê tông. Bê tông có tỷ lệ N/X thấp có độ thấm thấp hơn.
Hình 1.5 - Độ thấm nước theo thời gian với tỉ lệ N/X thay đổi (Abderrachid Amriou (2017))
Phương pháp gián tiếp, đúng như tên gọi, người ta sẽ không trực tiếp đo độ thấm của bê tông. Đối với phương pháp này, có thể kể đến đầu tiên là thí nghiệm hấp thụ mặt ngoài ban đầu của bê tông theo tiêu chuẩn Anh và thí nghiệm thấm nhanh ion clorua [19].
Năm 1968, Brace và cộng sự [34] đã sử dụng phương pháp áp suất không ổn định để xác định tính thẩm thấu của đá granit. Nguyên tắc của phương pháp này là đo sự suy giảm của áp suất áp dụng sau sự biến đổi đột ngột của áp suất này. Sự thay đổi áp suất phụ thuộc vào độ thấm của vật liệu. Phương pháp này có thể được dùng cho các vật liệu có độ thấm thấp tới 4.10-14m/s.
Nói chung, phương pháp gián tiếp để đo độ thấm nhanh hơn nhiều so với phương pháp trực tiếp do chúng dựa trên các phép đo thu được ở điều kiện dòng chảy ở trạng thái không ổn định. Khả năng bị rò rỉ trong quá trình thí nghiệm bị loại bỏ. Và phương pháp này có thể áp dụng cho những vật liệu có độ thấm thấp. Tuy
nhiên, độ bão hòa của mẫu là một vấn đề rất khó khăn để có được đối với những vật liệu có tính thấm kém như bê tông chất lượng cao, trong khi đó độ bảo hòa là rất cần thiết do ảnh hưởng rất lớn đến kết quả đo độ thấm của mẫu. Với phương pháp trực tiếp, mẫu bão hòa trong quá trình thí nghiệm cho đến khi đạt được trạng thái ổn định, và cần đến một thời gian thí nghiệm rất dài. Và với việc sử dụng một đầu vào áp suất cao có thể dẫn đến sự thay đổi cấu trúc của mẫu thí nghiệm. Một khó khăn khác của phương pháp này là quá trình thiết lập thí nghiệm, giải thích và phân tích kết quả thí nghiệm.