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”. Về mặt cấu trúc, đá xi măng bao gồm các hạt clanhke chưa phản ứng, thành phần dạng gel, các tinh thể, lỗ rỗng mao quản và lỗ rỗng lớn. Các hạt
chưa phản ứng giảm dần theo thời gian phụ thuộc vào loại clanhke xi măng, độ nghiền mịn và thời gian đông kết. Các gel gồm các chất mới tạo thành có
kích thước 50-200 A0 và lỗ rỗng gel đường kính từ 10-1000 A0. Ngoài ra
trong đá xi măng còn có các chất mới tạo thành có kích thước lớn và không có tính chất keo. Hàm lượng các thành phần dạng gel và tinh thể phụ thuộc vào loại clanhke xi măng, điều kiện đóng rắn. Lỗ rỗng mao quản trong đá xi măng có kích thước từ 0,1-10µm, còn các lỗ rỗng chứa khí có kích thước từ 50µm
đến 2mm. Lỗ rỗng chứa khí thường chiếm từ 2-5% thể tích đá xi măng.
Khi nhào trộn xi măng với nước để chế tạo sản phẩm, lượng nước nhào trộn thường lớn hơn rất nhiều so với lượng nước cần thiết để hydrat hóa hoàn
toàn các khoáng xi măng, do đó trong đá xi măng còn có một lượng nước dư được phân bố trong lỗ rỗng gel hay nằm giữa các hạt chưa phản ứng tạo thành lỗ rỗng mao quản. Khi tăng thời gian đóng rắn của sản phẩm, thì độ rỗng mao quản giảm đi do chúng được lấp đầy bởi các sản phẩm hydrat. Tùy thuộc vào
rộng và có thể đạt tới 40%. Khi giảm lượng nước nhào trộn, độ rỗng của sản phẩm giảm, tính chống thấm tăng lên. Thực tế cho thấy khi tỷ lệ N/X là 0,4- 0,45, thì tính chống thấm của đá xi măng tương đương với đá tự nhiên có độ
rỗng 2-3%, nhưng nếu tỷ lệ N/X=0,6 thì tính chống thấm giảm mạnh. Khi nhào trộn xi măng với nước còn tạo thành các lỗ rỗng hình cầu hay lỗ rỗng thông nhau chứa khí, chúng có ảnh hưởng lớn đến cấu trúc và tính chất của đá xi măng.
2.2.2. Ăn mòn xi măng
Cơ chếăn mòn xi măng được trình bày cụ thể trong tài liệu [8]. Bê tông
xi măng sau khi đã cứng rắn bao gồm hai thành phần: Đá xi măng và bộ
khung cốt liệu. Hai thành phần này liên kết với nhau tạo thành một khối vững chắc và có khả năng chịu lực. Khi bê tông sử dụng trong môi trường có tác
động xâm thực, nếu không có những biện pháp bảo vệ, nó sẽ bị ăn mòn. Trước hết thành phần đá xi măng bị phá hoại, vì nó dễ bị ăn mòn hơn cốt liệu.
Khi đá xi măng bị ăn mòn, thì liên kết giữa đá xi măng với cốt liệu cũng bị
phá hoại và cuối cùng bê tông bị phá hủy. Do vậy, có thể nói ăn mòn đá xi măng cũng có nghĩa là ăn mòn đối với bê tông.
Bê tông có thể bị ăn mòn hóa học ở cả ba môi trường sử dụng: Lỏng, rắn và khí.
- Ăn mòn trong môi trường lỏng xảy ra khi bê tông tiếp xúc với nước biển, nước chua phèn, nước khoáng, nước ngầm hoặc nước thải của các nhà máy và xí nghiệp công nghiệp. Các loại nước này thường chứa các nhân tố có tính chất gây ăn mòn. Ăn mòn trong môi trường lỏng là loại ăn mòn rất phổ
biến đối với các công trình xây dựng, đặc biệt là các công trình xây dựng ở môi trường biển, các công trình làm việc trong nước, dưới đất có nước ngầm; các nhà máy, xí nghiệp sản xuất có sử dụng hóa chất.
- Ăn mòn trong môi trường khí xảy ra khi bê tông tiếp xúc với các loại khí có chứa tác nhân gây ăn mòn, thường gặp ở các khu vực xung quanh các nhà máy có sử dụng và chế biến hóa chất hoặc các công trình có tiếp xúc với không khí biển và trong môi trường khí hậu ven biển.
- Ăn mòn trong môi trường rắn xảy ra khi bê tông tiếp xúc với một số
loại hóa chất như phân khoáng, thuốc trừ sâu. Nhưng ăn mòn trong điều kiện
này cũng chỉ diễn ra khi các hóa chất bịẩm.
Ăn mòn bê tông sẽ ảnh hưởng lớn đến độ bền của kết cấu công trình bê tông. Sự phá hoại công trình xây dựng do bị ăn mòn gây nên tổn thất rất lớn về kinh tế. Chính vì vậy, đã có nhiều nhà khoa học trên thế giới quan tâm nghiên cứu và đề cập đến các vấn đề có liên quan đến ăn mòn bê tông trong
nhiều tài liệu khoa học.
Tùy theo tác dụng của các tác nhân ăn mòn nhiều hay ít, sự ăn mòn được phân ra ba mức độ: Ăn mòn mạnh, ăn mòn trung bình và ăn mòn yếu. Sự ăn mòn bê tông rất đa dạng và diễn ra rất phức tạp, các quá trình ăn mòn
này xảy ra do nhiều nguyên nhân khác nhau. Sự ăn mòn có thể do tác động xói mòn của dòng chảy, ăn mòn do vi sinh vật bám trên bề mặt kết cấu bê
tông, do thay đổi các điều kiện vật lí hoặc có sự tác động của hiện tượng điện hóa. Tuy nhiên, nguyên nhân chủ yếu gây ăn mòn bê tông là do có sựthay đổi về mặt hóa học trong thành phần của đá xi măng dưới tác động của các hợp chất hóa học có trong môi trường. Trong thành phần của đá xi măng có các
sản phẩm thủy hóa như Ca(OH)2 và C3AH6 dễ hòa tan, chúng tan vào nước, làm cho cấu trúc bê tông bị rỗng, do đó cường độ bê tông giảm và có thể bị
phá hủy. Mặt khác, chúng có tính hoạt động hóa học mạnh, dễ tương tác với một số hợp chất hóa học của môi trường (các axit và muối…), tạo thành các sản phẩm mới dễ tan trong nước hơn hoặc nở thể tích nhiều, gây nội ứng suất
phá hoại kết cấu bê tông, hoặc tạo thành các chất vô định hình, rời rạc, không có tính chất kết dính.
Quá trình ăn mòn diễn ra mạnh hay yếu tùy thuộc vào đặc tính của xi
măng, loại và lượng dùng phụ gia trong xi măng, nồng độ của các tác nhân hóa học trong môi trường ảnh hưởng đáng kể đến quá trình ăn mòn. Các yếu tố như trạng thái và nhiệt độ môi trường, mức tải trọng làm việc của các kết cấu… cũng có ảnh hưởng đáng kểđến mức độ ăn mòn.
Trong các yếu tố kểtrên thì đặc tính của xi măng và độ đặc của bê tông là yếu tố có ảnh hưởng rất lớn đến sự ăn mòn. Khi bê tông bị rỗng, sự thầm thấu của nước tăng lên, dẫn đến sự xâm nhập của các tác nhân ăn mòn, do đó có điều kiện tiếp xúc và tương tác với các sản phẩm thủy hóa của xi măng.
Các sản phẩm thủy hóa càng dễ bị ăn mòn, thì ăn mòn bê tông càng mạnh
hơn.
2.2.3. Tác động ăn mòn xi măng của nước biển
Tác động phá hoại của các loại xâm thực đã được nêu ở Chương I sẽ được giải thích chi tiết tiếp sau đây với 3 loại phá hoại thường gặp đã nêu là:
Phá hoại do ăn mòn bê tông
Phá hoại do ăn mòn cốt thép
Phá hoại do mài mòn bề mặt bê tông.
2.2.3.1. Phá hoại do ăn mòn bê tông
Quá trình ăn mòn bê tông trong nước biển do nhiều phản ứng đồng thời và phụ thuộc lẫn nhau, tạo ra các cơ chế khác nhau: Hoà tan - ngâm chiết; phản ứng trao đổi; kết tủa của các hợp chất không tan; kết tinh các muối giãn nở. Dựa vào các thành phần muối hoà tan chủ yếu trong nước biển, các phản
ứng chính có khả năng phá huỷ bê tông là:
Các ion Clo có thể làm suy yếu thành phần chất kết dính trong bê tông
khi đạt nồng độ cao, cụ thể:
MgCl2 + Ca(OH)2 CaCl2 + Mg(OH)2
Mg(OH)2 không tan và nằm trên bề mặt bê tông, trong khi đó CaCl2
phản ứng với C3A tạo ra C3A.CaCl2.10H2O.
b. Phản ứng ăn mòn sunphat
Là quá trình chính gây phá huỷ bê tông do tạo ra ettringite thứ cấp và CaSO4.2H2O
- Phản ứng của Na2SO4 với Portlandit (Ca(OH)2) tạo ra thạch cao thứ
cấp:
Ca(OH)2 + Na2SO4 + 2H2O CaSO4.2H2O + 2NaOH
- Phản ứng của thạch cao mới hình thành với C3A của xi măng tạo ra ettringite
C3A + 3(CaSO4.2H2O) + 26H2O C3A.3CaSO4.32H2O Hoặc với C4AH13 và C3A.CaSO4.12H2O cũng tạo ra ettringite
- Magiê sunfat có hai tác dụng thay thế ion Ca+2 trong CSH và phản ứng với Ca(OH)2 tạo ra thạch cao mới cũng góp phần tạo ra ettringite:
Ca(OH)2 + Mg(SO)4 CaSO4 + Mg(OH)2
C3A + 3(CaSO4.2H2O) + 26H2O C3A.3CaSO4.32H2O CSH + Mg(SO)4 CaSO4.2H2O + C(M)-S-H
c. Phản ứng do dioxit cacbon
CO2 + H2O + Ca(OH)2 CaCO3 + 2H2O
CaCO3 kết tủa trên bề mặt bê tông dưới dạng aragonite và calcite làm bịt kín các lỗ xốp. Nếu có nhiều CO2 thì tiếp tục phản ứng với CaCO3 và tạo ra Ca(HCO3)2 có khảnăng hòa tan trong nước.
2.2.3.2. Phá hoại do ăn mòn cốt thép
Khi môi trường ngoài có chứa ion clo (môi trường biển), tốc độ ăn mòn
của thép trong bê tông trởnên nhanh hơn. Nguyên nhân đầu tiên làm tăng tốc
độ ăn mòn của ion clo là giảm điện trở của dung dịch điện ly trong bê tông. Mặt khác khi các ion clo đến bề mặt kim loại, chúng có thể khơi mào quá trình ăn mòn bằng cách hoà tan lớp thụ động hoặc khuyếch tán qua lớp oxit này. Ngay ở nồng độ rất thấp cỡ 0,01%, ion clo đã làm biển đổi hình thể của màng thụ động thành hợp chất Fe(OH)2, sau đó tạo ra phức không ổn định FeCl3- có khả năng phản ứng với ion OH- theo các phản ứng:
Fe + 3Cl- FeCl3- + 2e FeCl3
-
+ OH- Fe(OH)2 + 3Cl-
Điện tử tự do từ phản ứng thứ nhất sẽ chuyển về phía catot. Tiếp theo phản ứng thứ hai làm giảm pH của môi trường và lại giải phóng ra ion Cl-. Sơ đồ cơ chế ăn mòn cốt thép trong bê tông có mặt ion Cl-được trình bày ở hình