2.3.1.1. Thay đổi thành phần khoáng của xi măng
Thay đổi thành phần khoáng của xi măng để thích hợp với môi trường có tính chất ăn mòn nhằm vào việc giảm hai loại khoáng vật C3A và C3S
trong xi măng vì hai loại khoáng này khi thủy hóa sinh ra các sản phẩm tan và có hoạt động hóa học mạnh đó là Ca(OH)2 và C3AH6. Tuy nhiên khi giảm
các khoáng này thường làm thay đổi các tính chất kỹ thuật chung của xi
măng, ví dụnhư việc giảm C3S làm giảm đáng kểcường độ của các sản phẩm
dùng xi măng. Do hậy quả này, các nhà khoa học đã khuyến cáo rằng phương
pháp này chỉ dùng với những công trình có sự ăn mòn mạnh và kết cấu có yêu cầu độ chịu lực nhỏ.
2.3.1.2. Biến đổi các sản phẩm thủy hóa
Ý nghĩa khoa học của phương pháp này là chuyển các sản phẩm thủy hóa có tính tan và hoạt động hóa học mạnh sang dạng sản phẩm mới ít tan
hơn, và ít hoạt động hóa học hơn nhiều so với các sản phẩm thủy hóa ban đầu. Nội dung khoa học của phương pháp này là dùng các loại phụ gia khoáng hoạt tính như Puzơlan, xỉ lỏ cao và các thải phẩm công nghiệp khác. Các phụ
gia khoáng này có thành phần chủ yếu là SiO2 ở dạng vô định hình. Khi phụ
gia này vào bê tông, nó sẽ phản ứng với vôi Ca(OH)2 do xi măng tiết ra tạo ra các sản phẩm mới vừa không tan trong nước, vừa có cường độ cao và có tác dụng chống ăn mòn. Phản ứng này được gọi là phản ứng Puzơlan và các phụ gia loại này có thểđược gọi là các vật liệu có tính Puzơlan.
Ca(OH)2 + SiO2 (vô định hình) CaO.SiO2.H2O (C-S-H)
2.3.1.3. Tăng độ đặc cấu trúc bê tông
Độ đặc chắc của bê tông luôn là yếu tố được đánh giá cao trong việc bảo vệ bê tông và bê tông cốt thép khỏi bịăn mòn.
Phương pháp này được thực hiện bằng cách chế tạo bê tông có cường độ cao, độ đặc chắc lớn, cấu trúc đồng nhất ít lỗ rỗng để hạn chế quá trình xâm thực của các tác nhân gây ăn mòn, cũng như hạn chế quá trình mài mòn dưới tác dụng của dòng chảy.
Trên thực tế để nâng cao cường độ, độđặc chắc cấu trúc cho bê tông nói
chung và bê tông cường độ cao chịu mài mòn nói riêng, thường ta quan tâm một sốhướng chính như sau:
Tăng cường độ khung cốt liệu: Một trong những yếu tố quyết định đến
cường độ của bê tông phải đề cập đến chất lượng khung. Cường độ khung cốt liệu có thể xem xét dựa vào các nhân tố sau:
+ Cường độ cốt liệu + Thành phần cốt liệu
+ Tính chất bề mặt của cốt liệu
Tăng cường độ đá xi măng: Khi các hạt xi măng tiếp xúc với nước, các
khoáng trong xi măng sẽ hòa tan vào dung dịch, pha lỏng sẽ bão hòa với các ion khác nhau, trong dung dịch các ion kết hợp với nhau tạo thành sản phẩm thủy hóa lấp đầy các khoảng trống mà trước đó bị nước chiếm chỗ. Tại bất kỳ
thời điểm nào của quá trình thủy hóa, những khoảng trống chưa được lấp đầy giữa các hạt xi măng sẽ bao gồm các hốc, các lỗ rỗng mao quản. Cùng với sự
thủy hóa của xi măng và giảm độ rỗng mao quản thì sự truyền ẩm trong hệ sẽ ngày càng khó khăn. Do đó quá trình thủy hóa tiếp theo của các hạt xi măng có kích thước lớn hơn sẽ rất chậm thông qua các phản ứng pha rắn.
Các sản phẩm thủy hóa có mức độ kết tinh cao và sắp xếp càng chặt chẽ thì cường độ của đá xi măng càng cao. Cường độ đá xi măng phụ thuộc vào các yếu tốsau: Độ rỗng, kích thước hạt, độđồng nhất. Đểnâng cao cường
độđá xi măng thì cần phải tác động vào các yếu tố nói trên.
Tăng cường độ vùng chuyển tiếp giữa cốt liệu và đá xi măng: Trong hỗn hợp bê tông khi tạo hình thường hay xuất hiện một lớp nước trên bề mặt
bê tông đó là do các hạt cốt liệu nặng hơn có xu hướng chìm xuống đáy, còn nước nhẹ hơn nổi lên trên bề mặt Hiện tượng này gọi là sự tách nước. Nước
cũng có thểđọng lại dưới các hạt cốt liệu hoặc các thanh cốt thép, gây ra hiện
tượng tách nước bên trong. Kết quả là tỷ lệ N/CKD của hồxi măng ở vùng sát ngay cốt liệu, tức là vùng chuyển tiếp cao hơn nhiều hơn so với tỷ lệ N/CKD của hồxi măng ở những vùng khác cách xa bề mặt hạt cốt liệu.
So với đá xi măng ở các vùng khác, cấu trúc của đá xi măng ở vùng chuyển tiếp được đặc trưng bằng độ rỗng lớn hơn và sự hiện diện của sản phẩm thủy hóa dạng tính thể hạt thô, chủ yếu là hyđrôxit canxi và Ettringite.
Giảm tỷ lệ N/CKD và sử dụng phụ gia hoạt tính siêu mịn sẽ cải thiện
được cấu trúc vùng chuyển tiếp, giảm chiều dày và làm tăng cường độ của nó.
2.3.1.4. Nghiên cứu sử dụng phụ gia nhằm giảm nứt cho bê tông và BTCT
Trong những giải pháp chung nhằm hạn chế nứt cho bê tông đã được nêu ở trên thì giải pháp liên quan đến vật liệu nhằm mục đích giảm thiểu sự
biến đổi thể tích của bê tông (thường là sự co thể tích) để giảm nứt cho bê tông có ý nghĩa quan trọng, vì đó chính là nguyên nhân cơ bản gây nứt cho bê
tông. Ngoài ra tăng cường khả năng chống ăn mòn cho cốt thép cũng là một yếu tố cần xem xét khi kết cấu bê tông có sử dụng cốt thép, vì ăn mòn cốt
thép tạo ra gỉ sắt có thể tích lớn gây trương nở và làm bong bục lớp bê tông bảo vệ. Hiện tượng cứ thế tiếp diễn cho đến khi thép mất tiết diện không còn
đủ khả năng chịu lực làm công trình hư hỏng, không đảm bảo sử dụng lâu dài.
Như vậy việc dùng phụ gia để hạn chế sự biến đổi thể tích cho bê tông và
tăng cường khảnăng chống ăn mòn cho cốt thép là rất hiệu quả trong việc hạn chế nứt cho các kết cấu bê tông và bê tông cốt thép. Cụ thể các loại phụ gia có thể xem xét sử dụng là[11]:
a. Phụ gia hóa dẻo
- Sử dụng phụ gia hóa dẻo hay hóa dẻo bậc cao (còn gọi là phụ gia siêu dẻo) để giảm tỷ lệ N/CKD, từ đó giảm lượng nước tự do trong bê tông, cũng có nghĩa là giảm co ngót cho bê tông.
- Cơ chế hoạt động của phụ gia siêu dẻo:
Bản thân các hạt xi măng khi sử dụng trên bề mặt có sựtích điện tĩnh là
kết quả từ quá trình nghiền xi măng. Các điện tích trái dấu hút nhau làm cho các hạt xi măng có xu hướng kết tụ thành đám hay thành cục vón, làm giảm tính công tác của hồ xi măng. Khi sử dụng phụ gia hóa dẻo, chất hóa học trong phụ gia có tác dụng giảm lực hút tĩnh điện giữa các hạt xi măng. Các
phân tử của phụ gia hóa dẻo một đầu tích điện cả dương và âm, đầu còn lại tích điện âm. Những phân tử này bị hút bởi bề mặt tích điện của các hạt xi
măng làm trung hòa lực hút tĩnh điện trên bề mặt các hạt xi măng, tạo ra các
điện tích cùng dấu, gây ra lực đẩy làm phân tán rất nhanh các hạt xi măng
riêng rẽ. Như vậy, các hạt xi măng sẽ được phân bố đồng đều, nước ở trong các khối kết tụ ban đầu được giải thoát làm hồ xi măng linh động hơn và như
vậy tăng độ lưu động của hỗn hợp bê tông.
b. Phụ gia khoáng hoạt tính
- Sử dụng phụ gia khoáng hoạt tính như tro bay, xỉ lò cao, muội silic có tác dụng chính là giảm lượng vôi thừa trong phản ứng thủy hóa thủy phân xi
măng đểtăng khả năng chống ăn mòn. Ngoài ra, nó còn có tác dụng giảm lượng nhiệt thủy hóa phát ra từ phản ứng thủy phân, thủy hóa xi măng, và chính vì vậy, sẽ hạn chếđáng kể nứt nẻcho bê tông, đặc biệt là bê tông khối lớn.
- Tác dụng của phụ gia khoáng hoạt tính:
+ Phụ gia khoáng thay thế một phần xi măng để giảm lượng tỏa nhiệt trong khối đổ: Khi thi công bê tông khối lớn, quá trình phát triển nhiệt cần
được khống chế nhằm tránh tạo ứng suất nhiệt gây nứt, do đó hàm lượng xi
măng thường được khống chế ở mức thấp và thay thế một phần xi măng bằng phụgia khoáng. Khi đó tổng lượng thành phần khoáng vật trong chất kết dính sẽ ít hơn do đó lượng tỏa nhiệt ít hơn. Ngoài ra theo một số tài liệu, phản ứng
Puzơlan không những không tỏa thêm nhiệt, mà còn có tính thu nhiệt, do đó
tổng lượng tỏa nhiệt trong bê tông sử dụng chất kết dính pha phụ gia khoáng hoạt tính thấp hơn so với bê tông sử dụng các loại xi măng Poolăng khác, hạn chếđáng kể nứt cho bê tông.
+ Phụ gia khoáng là một thành phần tham gia phản ứng tạo nên các tinh thể hydrat có thể làm tăng cường độ và các tính chất cơ lý cho bê tông: Phụ
gia khoáng hoạt tính có tác dụng về mặt hóa học là tham gia các phản ứng với Ca(OH)2 sinh ra trong quá trình thủy hóa xi măng, tạo ra các khoáng mới có
cường độ, nâng cao độ đặc chắc, cường độ nén, khả năng chống thấm và các tính chất khác của bê tông. Do đó, nếu sử dụng phụ gia khoáng hoạt tính chất
lượng tốt, còn có tác dụng làm giảm hàm lượng xi măng sử dụng mà vẫn đảm bảo được cường độ nén theo yêu cầu thiết kế.
c. Phụ gia giảm co ngót
- Nguyên lý hoạt động của phụ gia giảm co ngót:
+ Khi sử dụng xi măng trong bê tông, hồxi măng thủy hóa sẽ co khi nó bị mất dần độ ẩm thoát ra từ những lỗ rỗng cực kỳ nhỏ. Lý do là khi độ ẩm bị
hướng hút các lỗ rỗng lại gần nhau và dẫn đến sự giảm thể tích theo thời gian tức là gây ra hiện tượng co, thường được gọi là co dẻo và co khô.
+ Phụ gia giảm co ngót (Shrinkage Reducing Admixtures - SRA) được thiết kế nhằm giảm ảnh hưởng của hiện tượng co khô bằng cách giảm sức
căng bề mặt những lỗ rỗng này nhờ đó làm giảm khả năng hút các lỗ rỗng lại gần nhau, do đó giảm được co ngót và giảm được nứt cho bê tông.
- Một số loại phụ gia giảm co ngót: Hiện nay trên thị trường có một số
loại phụ gia giảm co ngót của các hãng như:
+ EXP 02 là loại phụ gia dạng tổng hợp được thiết kế dành riêng cho bê tông và vữa nhằm nâng cao tính công tác, tăng khả năng đặc chắc, chống co ngót, chống nứt. – Viện Khoa học công nghệ xây dựng – IBST
+ MAPECURE SRA 25 - Italia
+ Vinkems® MORAD-M: Là phụ gia dạng bột hỗ trợ cho vữa, không chứa Clorua hoặc các thành phần ăn mòn khác, được chế tạo để làm tăng độ
chảy dẻo của hỗn hợp vữa xi măng với tỷ lệ N/X thấp, không gây phân tầng,
bù co ngót trước khi đông kết, làm ổn định thể tích vữa.
d. Phụ gia ức chế ăn mòn cốt thép
- Để hạn chế ăn mòn cốt thép trong bê tông có thể dùng một số sản phẩm quét lên cốt thép trước khi đổ bê tông. Những hóa chất này phải đảm bảo tăng cường khả năng chống ăn mòn cho cốt thép, nhưng không làm thay đổi tính năng chủ yếu khác của bê tông. Các loại phụ gia này chủ yếu ứng dụng cho các công trình xây mới, hiện nay tiêu chuẩn liên quan cụ thể cho các loại phụgia này chưa nhiều và cũng không rõ ràng.
- Hiện nay có khá nhiều loại hóa chất có khả năng đáp ứng yêu cầu chống ăn mòn nhưng chỉ sốít trong đó được thương mại hóa và chứng tỏ đáp ứng yêu cầu kinh tế lẫn kỹ thuật. Một trong những hóa chất đầu tiên được sử
dụng là natri nitrit (NaNO2) nhưng ngay sau đó nhanh chóng bị loại bỏ, vì làm giảm cường độ bê tông, đồng thời chứa natri có thể gây phản ứng kiềm - silic. Tiếp đó người Nhật đã nghiên cứu và ứng dụng thay thế bằng canxi nitrit (Ca(NO2)2), nhưng thực sự người Mỹ mới ứng dụng và thương mại hóa
thành công. Điển hình nhất là sản phẩm DCI của Grace và đến nay hãng này
cũng chỉ tập trung nghiên cứu phát triển dòng sản phẩm này. a) b)
Hình 2.4. Hình ảnh mô tả hai loại phụ gia ức chế ăn mòn cốt thép a)Natri Nitrite b)Calcium Nitrite
- Cơ chếức chếăn mòn cốt thép của canxi nitrít (CN)
Cơ chế ngăn ngừa ăn mòn cốt thép của CN đã được lý giải khá rõ ràng, theo
đó CN bảo vệ ăn mòn theo 4 phương pháp sau:
+ CN oxi hoá sắt (II) oxít kém bền thành sắt (III) oxít theo phản ứng sau: 2Fe2+ + 2NO2
-
+ 2OH- Fe2O3 + H2O + 2NO-
+ Ion nitrite sẽ củng cố lớp màng thụ động sắt (III) oxit bằng cách hấp phụ lên bề mặt thép và làm vững chắc thêm lớp màng thụđộng này;
+ Ion nitrite còn phủ toàn bộ xung quanh các vị trí bị khuyết tật sắt (II)
+ Nếu ion Cl- tìm được một vị trí khuyết tật trên bề mặt cốt thép, ăn mòn bắt
đầu xảy ra. Khi đó hợp chất clorua sắt (gỉ) sẽ tách khỏi bề mặt thép, các ion sắt (II) mới sẽ tiếp tục bị lộ ra trong môi trường bê tông. Ion NO2
-
có thể
nhanh chóng bao bọc quanh các ion sắt (II) mới bảo vệ chúng khỏi bị sự xâm nhập của ion Cl
- Cùng với sự thành công của Grace, thì nhiều hãng phụ gia khác như Sika, Axim, MBT (nay là BASF) cũng nhanh chóng nhẩy vào cuộc, bắt chước và chế tạo các loại phụgia cho bê tông tương tựtrên cơ sở canxi nitrit. Có thể
kể ra gồm có:
CATEXOL CN-CI Axim Concrete Technologies
Eucon CIA Euclid Chemical Company
Rheocrete CNI BASF Admixtures, Inc.
Sika CNI Sika Corporation
- Ưu điểm chính của canxi nitrit là giá rẻ, làm tăng cường độ bê tông; dễ sử dụng vận chuyển, bảo quản và quan trọng nhất là tăng cường khả năng
chống ăn mòn. Tuy nhiên canxi nitrit cũng có những nhược điểm khiến các nhà khoa học không thể yên tâm sử dụng lâu dài; đó chính là tính độc hại, không thân thiện môi trường; làm thay đổi một sốtính năng cơ lý của hỗn hợp bê tông, dẫn đến việc thiết kế thành phần cấp phối thêm phức tạp. Do đó đã
có nhiều loại hóa chất khác được nghiên cứu như các muối gốc alkanolamine, amino alcol, monoflourphosphat … Các sản phẩm kể đến có thể như sau:
CATEXOL Axim Concrete Technologies
Emaco S88C BASF Admixtures, Inc.
Ferrogard Sika Corporation
MCI Cortec
một công ty gần như vô danh trên thị trường hóa chất xây dựng nhưng rất mạnh trong cung cấp hóa chất chống ăn mòn. Các sản phẩm của SIKA trên cơ
sở chất ức chế gốc amine hầu như lấy công thức của Cortec. Danh mục sản phẩm phụ gia ức chế ăn mòn của công ty này đến nay khá đồ sộ với khoảng vài chục loại khác nhau. Một số hãng như BASF cũng mua lại sản phẩm của công ty này và gắn nhãn BASF vào như MCI-2006NS.
2.3.1.5. Ngăn cách bê tông với môi trường chịu ăn mòn và mài mòn
Phủ mặt ngoài kết cấu bê tông và bê tông cốt thép bằng một lớp Epoxy hoặc các loại sơn đặc biệt từ hệ Polyme là một biện pháp nhằm ngăn cách bê
tông với môi trường có tác động mài mòn và ăn mòn. Trong trường hợp cần thiết có thể tăng cường thêm năng lực chống mài mòn bằng cách phun phụ gia chống thấm lên bề mặt kết cấu, làm tăng độđặc, tăng khả năng chống thấm cho