2.1.1. Đặc trưng của môi trường biển
Việt Nam nằm trong vùng nội chí tuyến Bắc bán cầu, có khí hậu thuộc loại hình nhiệt đới gió mùa với những thuộc tính cơ bản là nóng ẩm và phân hóa theo mùa rõ rệt. Do đặc điểm đất nước nằm dài từ Bắc đến Nam, nên khí hậu cũng thay đổi theo từng vùng: các tỉnh phía Bắc thuộc loại hình nhiệt đới
gió mùa, có mùa hè nóng và mùa đông lạnh. Còn các tỉnh phía Nam mang đặc tính khí hậu nhiệt đới gió mùa điển hình, mà đặc trưng là nền nhiệt độ cao, ít
thay đổi trong năm và một chế độ mưa ẩm phân hóa rõ rệt theo mùa. Các yếu tố khí hậu (bao gồm: Độ ẩm và nhiệt độ không khí, tốc độ gió, bức xạ mặt trời, lượng mưa) ở mỗi vùng và mỗi mùa cũng rất khác nhau.
Khí hậu vùng ven biển Việt Nam ngoài những đặc thù của khí hậu nóng
ẩm phân chia theo các miền Bắc, Trung, Nam còn có thêm điều kiện tác động của muối biển, tác động của ion Cl-. Các yếu tố khí hậu đã thúc đẩy quá trình xâm nhập Cl- vào bê tông làm tăng nhanh quá trình ăn mòn kết cấu bê tông.
Đặc điểm của vùng khí hậu biển Việt Nam là: Lượng muối trong nước biển
tăng dần từ Bắc vào Nam, nên tác động của các yếu tố khí hậu đối với quá trình xâm nhập Cl- vào kết cấu bê tông cũng thay đổi. Tuy nhiên theo nghiên cứu của Viện KHCN xây dựng thì do tác động cân bằng của các yếu tố khí hậu nóng ẩm giữa các vùng và các mùa đối với quá trình xâm nhập Cl- nên quá trình này có thểđược xem là không thay đổi từ Bắc vào Nam.
Dựa theo tính chất xâm thực của môi trường biển, vị trí làm việc của kết cấu bê tông cốt thép (BTCT), có thể phân chia ảnh hưởng của môi trường
biển Việt Nam thành các vùng nhỏ có ranh giới khá rõ như hình 2.1 theo tài liệu [8]
Hình 2.1. Phân vùng môi trường biển Việt Nam
1. Vùng ngập nước: Bao gồm các bộ phận kết cấu ngập hoàn toàn trong nước biển.
2. Vùng nước lên xuống (gồm cả phần sóng đánh): Bao gồm các bộ phận kết cấu làm việc ở vị trí giữa mực nước thủy triều lên xuống thấp nhất và cao nhất, tính cả phần bị sóng đánh vào.
3. Vùng khí quyển trên biển và ven biển: Bao gồm các bộ phận kết cấu làm việc trong vùng không khí trên biển và ven biển vào sâu trong đất liền tới 20km.
Sau đây là một sốđặc điểm của từng vùng:
2.1.1.1. Vùng ngập nước biển
Nước biển của các đại dương trên thế giới chứa khoảng 3,5% tổng các
lượng muối hòa tan: cụ thể là 2,73% 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 đạt 8,0. Do vậy, nước biển của các đại dương mang tính xâm
thực mạnh đối với các kết cấu bê tông và bê tông cốt thép.
Nước biển Việt Nam có thành phần hóa học, độ mặn và tính xâm thực
tương đương với các nơi khác trên thế giới. Riêng vùng gần bờ độ mặn có suy giảm ít nhiều do ảnh hưởng của các con sóng chảy ra biển. Thành phần hóa học và độ mặn của nước biển Việt Nam được thể hiện ở bảng 2.1 và bảng 2.2
Bảng 2.1. Thành phần hóa nước biển Việt Nam và trên thế giới[8]
Chỉ tiêu Đơn vị Vùng biển Hòn Gai Vùng biển Hải Phòng Biển Bắc Mỹ Biển Ban Tích pH - 7.8-8.4 7.5-8.3 7.5 8.0 Cl- G/l 6.5-18.0 9.0-18.0 18.0 19.0 Na+ G/l - - 12.0 10.5 SO4 2- G/l 1.4-2.5 0.002-2.2 2.6 2.6 Mg2+ G/l 0.2-1.2 0.002-1.1 1.4 1.3
Bảng 2.2. Độ mặn nước biển tầng mặt trong vùng biển Việt Nam[8]
Trạm
Tháng Trung
bình
năm
Mùa đông Mùa hè
12 1 2 6 7 8 Cửa Ông 29.2 30.0 30.4 25.3 23.4 21.3 26.6 Hòn Gai 30.8 31.5 31.6 32.2 30.8 29.3 31.0 Hòn Dấu 26.3 28.1 28.1 17.1 11.9 10.9 20.4 Văn Lý 25.9 18.3 29.5 25.4 20.1 19.0 23.0 Cửa Tùng 22.8 27.2 29.3 31.8 31.3 31.7 29.0 Sơn Trà 8.7 17.6 22.8 - 21.2 26.9 - Vũng Tàu 30.4 33.1 34.7 29.8 29.8 27.6 30.9
2.1.1.2. Vùng khí quyển trên biển và ven biển
Khí quyển trên biển và ven biển Việt Nam có một sốđặc trưng sau đây:
+ Nhiệt độ không khí
Vùng biển Việt Nam có nhiệt độkhông khí tương đối cao, trung bình từ
22,5-22,70C, tăng dần từ Bắc vào Nam. Miền Bắc có từ 2 đến 3 tháng mùa
đông, nhiệt độ dưới 200C. Miền Nam cao đều nhiệt độ quanh năm, biên độ dao động từ3 đến 70C.
+ Bức xạ mặt trời
Việt Nam nằm trong vành đai nội chí tuyến nên bức xạ mặt trời nhận
được trên vùng ven biển khá lớn từ 100-150 kcal/cm2. Lượng nhiệt bức xạ tăng dần từ Bắc vào Nam và đạt cao nhất tại cực Nam Trung Bộ. Với lượng bức xạ cao như vậy, đã thúc đẩy quá trình bốc hơi nước biển mang theo ion Cl- vào khí quyển.
+ Độẩm không khí
Độ ẩm tương đối của không khí ở mức cao so với các vùng biển khác trên thế giới, dao động trung bình từ 75-80%. Cụ thể là:
- Vùng ven biển Băc Bộ và Bắc Trung Bộ: 83-86%. - Vùng ven biển Trung và Nam Trung Bộ: 75-82%. - Vùng ven biển Nam Bộ: 80-84%.
+ Thời gian ẩm ướt bề mặt
Tổng thời gian ẩm ướt bề mặt kết cấu trung bình trong năm ở vùng ven biển các tỉnh phía bắc dao động từ 1300-1850 giờ/ năm, tập trung chủ yếu vào mùa xuân; còn các tỉnh miền Nam từ 450-950 giờ/năm, tập trung vào các
tháng mưa mùa hạ. Đây là đặc điểm mang tính đặc thù của khí hậu Việt Nam, có ảnh hưởng đến ăn mòn khí quyển biển.
Khí quyển trên biển và ven biển có chứa hàm lượng ion Cl phân tán cao, tại trạm đo sát mép nước ở các tỉnh Miền Bắc dao động từ 0,4-1,3 mg Cl- /m3, ở các tỉnh Miền Nam khoảng từ 1,3-2,0 mg Cl-/m3. Nồng độ ion Cl- giảm mạnh ở cự ly 200-250m tính từ sát mép nước, sau đó tiếp tục giảm dần khi đi sâu vào trong đất liền. Tuy nhiên do ảnh hưởng của nhiều đợt gió mùa thổi từ
biển vào lục địa nồng độ ion Cl- có thểcao hơn.
2.1.1.3. Vùng nước lên xuống và sóng đánh
Đây là vùng giao thoa giữa vùng ngập nước và vùng khí quyển trên biển. Do nước biển lên xuống thường xuyên dẫn tới quá trình khô ướt xảy ra liên tục theo thời gian, tác động từ ngày này qua ngày khác lên trên bề mặt kết cấu cùng với nhiệt độ môi trường cao, làm tăng khảnăng tích tụ ion Cl- , H2O và O2 từ nước biển và không khí vào trong bê tông thông qua quá trình khuếch tán nồng độ và lực hút mao dẫn.
Ngoài ra vùng này còn chịu ảnh hưởng xâm thực của hà, sò biển, tác
động cơ học của sóng biển. Vì vậy vùng này được xem là có tính chất và mức
độ xâm thực mạnh nhất.
2.1.2. Thành phần nước biển
Thành phần hóa học của nước tại các đại dương biến đổi trong một giới hạn không lớn, tổng hàm lượng các muối hòa tan cỡ 34-35%o (hoặc g/l).
Tương quan hàm lượng các muối và ion khác nhau trong đại dương khá ổn
định so với ven biển. Giới hạn biến đổi tổng độ muối của một số hồ, biển, đại
dương lớn và thành phần ion tương ứng với độ muối trung bình được trình bày trong bảng 2.3.
Bảng 2.3. Thành phần nước các hồ, biển và đại dương
STT Tên biển, đại dương Hàm lượng muối (g/l)
Thành phần trung bình các ion của nước ở Đại Tây Dương
1 Biển Ban Tích Hàm lượng muối: 33,5-
37,4g/l
2 Biển Đen Các ion khác nhau (%)
3 Biển Trắng 26,0-29,7 Cl- 55,3
4 Đại Tây Dương 33,5-37,4 SO4
2- 7,7 5 Thái Bình Dương 34,5-36,9 Br- 0,2 6 Ấn ĐộDương 35,5-36,7 CO3 2- 0,2 7 Địa Trung Hải 38,4-41,2 Na+ 30,6 8 Biển Đỏ 50,8-58,5 K+ 1,1 9 Hồ Ontario 72 Ca2+ 1,2 10 Biển Caspienne 126,7-185 Mg2+ 3,7 11 Biển Chết 192,2-260 pH = 8,2-8,3 12 Hồ Elton 265
Lượng muối lớn nhất là NaCl (77-79%), thứ hai là MgCl2 (10,5-10,9%), thứ ba là MgSO4 (4,4-4,8%), sau đó là CaSO4 (3,4-3,6%),... Tổng toàn bộ các muối clorua là 88-89% và tổng các muối sunphat là 10,5% bằng 1/8 lượng muối clorua. Xét hàm lượng các ion thì ion Cl- chiếm 55,3% còn ion SO4
2-
chiếm 7,7% bằng khoảng 1/7 lượng ion Cl-. Từ các số liệu trên ta thấy trong
1 lít nước biển trung bình có 19,4g Cl- và 2,7g SO4 2-
.
Ở Việt Nam, thành phần nước biển đã được phân tích tại một số điểm, kết quảđược trình bày trong bảng 2.4.
Bảng 2.4. Thành phần nước biển đo tại một số địa điểm ở Việt Nam
Thành phần nước biển Đơn vị Cửa Lò Hòn Gai
pH 7,6-7,8 7,8-8,4 Cl- g/l 8,5-18 6,5-18 Mg2+ g/l 0,5-1,1 0,2-1,2 SO4 2- g/l 1,4-2,5 1,4-2,5 O2 g/l 5,2-6,7 - Nhiệt độ o C 18-32 -
Bảng 2.5. Tính chất xâm thực của khí quyển biển ở một số vùng ven biển Việt Nam Địa phương (Điểm đo) Độ ẩm (%) Nhiệt độ bình quân (oC) Tốc độ ăn mòn thép (g/m2. năm) Hàm lượng hóa chất xâm thực chính (mg/m3) Loại môi trường xâm thực Cl- SO2 CO2 BT BTCT Hà Nội (Trạm Láng) 81 23,7 215,0 <1,5 <0,5 <2000 Yếu Yếu Quảng Ninh (Bãi Cháy) 82 22,4 256,5 >2 0,5 2000 Yếu Vừa mạnh Hải Phòng (Phù Liễu) 82,1 23,0 247,7 1,8 0,5 2000 Yếu Vừa mạnh Bà Rịa (Vũng Tàu) 80 26,9 335,0 >2,5 0,5 2000 Yếu Mạnh
Như vậy, nước biển có tính xâm thực do tác động của trước hết là ion Cl-, rồi đến ion SO42- và các ion khác. Ngoài ra, môi trường biển, không khí
biển (gió mặn) cũng có tính chất xâm thực do độ ẩm cao và có chứa các ion Cl-, CO32-.
2.2. Cơ chế phá hủy bê tông trong môi trường nước biển 2.2.1. Xi măng và đá xi măng 2.2.1. Xi măng và đá xi măng
2.2.1.1. Giới thiệu về xi măng:
Xi măng pooc lăng là chất kết dính rắn trong nước quan trọng nhất trong xây dựng các công trình hiện nay. Xi măng pooc lăng được phát minh
và đưa vào sử dụng trong xây dựng từ đầu thế kỷ XIX khoảng năm 1824. Xi măng pooc lăng chứa khoảng 70-80% silicat canxi nên cũng có thể gọi là xi
măng silicat.
Xi măng pooc lăng được sản xuất từ 2 nguyên liệu chính là đá vôi và đất sét sau khi gia công cơ học và nung đến nhiệt độ cần thiết để được
clanhke xi măng. Từ clanhke xi măng nghiền chung với một lượng thạch cao
(điều chỉnh thời gian đông kết) sẽ được xi măng pooc lăng (PC), nếu hỗn hợp này nghiền chung với phụgia khoáng (hàm lượng không vượt quá 40%) được gọi là xi măng pooc lăng hỗn hợp (PCB).
Thành phần khoáng vật của xi măng pooc lăng quyết định đến mọi tính chất của vật liệu dùng xi măng.
Bảng 2.6. Thành phần khoáng vật của xi măng[5]
Tên khoáng vật Công thức Viết tắt Tỷ lệ % trong clanhke Silicat tricanxit
Silicat đi canxit
Aluminat tri canxit Fero-aluminat tetra canxit
3CaO.SiO2 2CaO.SiO2 3CaO.Al2O3 4CaO.Al2O3.Fe2O3 C3S C2S C3A C4AF 37-60% 15-37% 7-15% 10-18% Hàm luợng C3S và C2S trong clanhke xi măng pooc lăng thường chiếm từ 70-80%. Ngoài các thành phần chính trong chúng còn chứa một lượng
không lớn các khoáng vật khác như: C8A3F và C2F. Tính chất và tác dụng của từng thành phần khoáng vật chủ yếu như sau:
C3S – Thành phần quan trọng nhất, chiếm tỷ lệ cao nhất, có cường độ
cao, rắn chắc nhanh và phát nhiều nhiệt. Trong xi măng tỷ lệ C3S chiếm càng nhiều, chất lượng của xi măng càng cao và được gọi là xi măng Alit. Tuy nhiên hàm lượng này làm cho xi măng kém bền trong môi trường.
C2S – Có cường độ cao, rắn chắc chậm trong thời kỳđầu, nhưng cường
độ vẫn tiếp tục phát triển rõ rệt hơn trong thời kỳ sau. Nếu tỷ lệ C2S chiếm nhiều hơn thì được gọi là xi măng Belit. Loại xi măng này cho tính bền trong
môi trường cao hơn so với xi măng chứa khoáng C3S.
C3A – thành phần này rắn rất nhanh trong thời gian đầu nhưng cường
độ thấp, nhiệt lượng phát ra nhiều nhất, dễ gây nứt nẻ. Nếu hàm lượng C3A chiếm nhiều, thì được gọi là xi măng Aluminat. Loại xi măng này rất kém bền
trong các môi trường đặc biệt là môi trường sun phát.
C4AF – rắn tương đôi nhanh, cường độ phát triển trung bình và phát triển rõ rệt trong thời kỳ sau. Loại khoáng này có khối lượng riêng lớn nhất
trong xi măng khoảng 3,77 g/cm3.
Quá trình rắn chắc của xi măng là quá trình từ hồxi măng biến thành đá xi măng, là quá trình biến đổi hóa lý rất phức tạp. Quá trình này được chia làm 2 thời kỳ:
Giai đoạn đông kết là giai đoạn hồxi măng mất dần tính dẻo và đặc dần lại, nhưng chưa có cường độ.
Giai đoạn rắc chắc là giai đoạn hồ xi măng mất hoàn toàn tính dẻo và
cường độ phát triển dần.
Khi tác dụng với nước, thành phần khoáng vật chủ yếu của xi măng sẽ
thủy hóa và thủy phân. Khoáng vật C3S sẽ thủy phân trong quá trình tác dụng với nước theo phản ứng sau[5]:
2(3CaO.SiO2)+ 6H2O 3CaO.2SiO2.3H2O + 3Ca(OH)2 (2.1) Khi tác dụng với một lượng nước C2S được thủy hóa theo phương trình
sau:
2(2CaO.SiO2)+ 4H2O 3CaO.2SiO2.3H2O + Ca(OH)2(2.2)
Các phản ứng trên là đơn khoáng và với lượng nước thích hợp, tuy nhiên trong thực tế C3S hoạt tính hơn C2S rất nhiều, nên nó nhanh chóng tác dụng với nước và ngăn cản C2S phản ứng với nước. Mặt khác phản ứng xảy ra với lượng nước hạn chế đặc biệt là phản ứng (2.2). Do đó phản ứng (2.2) không có mặt của Ca(OH)2 và sản phẩm chính mới tạo thành của hydrat silicat canxi có hệ số thay đổi (xu hướng lượng kiềm giảm). Nên được viết
dưới dạng tổng quát nCaO.mSiO2.pH2O (viết tắt CSH)
Thành phần C3A kết hợp với nước, tạo thành sản phẩm bền cuối cùng 3CaO.Al2O3 + 6H2O 3CaO.Al2O3.6H2O (2.3)
Nếu không có thạch cao, do C3A rất hoạt tính nên nó nhanh chóng tác dụng với nước tạo ra hai sản phẩm không bền 4CaO.Al2O3.9H20 và 2CaO.Al2O3.8H2O . Nhưng khi có thạch cao sẽ tham gia phản ứng với C3A và nước tạo nên một sản phẩm mới khó hòa tan và nở thể tích (ettringit),
theo phương trình sau:
3CaO.Al2O3.6H2O+3(CaSO4.2H2O)+26H2O3CaO.Al2O3.3CaSO4.32H2O(2.4)
Thành phần C4AF phản ứng với nước như sau:
4CaO.Al2O3.Fe2O3+ nH2O → 3CaO.Al2O3.6H2O + CaO.Fe2O3.(n-6)H2O (2.5)
Như vậy là sau quá trình thủy hóa, trong đá xi măng bao gồm các hợp chất sau: Ca(OH)2, CHS, 3CaO.Al2O3.6H2O, ettringit, CaO.Fe2O3.nH2O
2.2.1.2. Cấu trúc của đá xi măng
Hồ xi măng được tạo thành sau khi xi măng phản ứng với nước, là hệ có cường độ, độ nhớt, độ dẻo cấu trúc và tính xúc biến. Sau khi trộn, hồ xi
măng có cấu trúc ngưng tụ liên kết với nhau bằng lực hút phân tử và lớp vỏ
hydrat. Cấu trúc này bị phá hủy dưới tác dụng của lực cơ học (nhào trộn, rung…). Do ứng suất trượt giảm đột ngột, nó trở thành chất lỏng nhớt. Ở
trạng thái này hồ xi măng mang tính chất xúc biến, có nghĩa khi loại bỏ tác dụng cơ học độ nhớt kết cấu lại được khôi phục lại.
Tính chất cơ học cấu trúc tăng theo mức độ thủy hóa của xi măng. Sự
hình thành cấu trúc của hồ xi măng và cường độ của nó xảy ra như sau: Các
phân tố cấu trúc ban đầu hình thành sau khi trộn xi măng với nước là ettringit
được hình thành sau vài phút, hydroxit canxi xuất hiện trong khoảng vài giờ, và
CSH đầu tiên là tinh thể dạng sợi, sau đó dạng nhánh, rồi dạng không gian “bó”.