Cải thiện độ chống thấm ion clo và kéo dài tuổi thọ kết cấu bê tông ở môi trường biển bằng cách sử dụng kết hợp muội silic và tro bay

ThS. NCS. Hồ Văn Quân Trường Cao đẳng Giao thông vận tải II GS. TS. Phạm Duy Hữu TS. Nguyễn Thanh Sang Trường Đại học Giao thông vận tải Người phản biện: PGS. TS. Trần Thế Truyền

Tóm tắt: Bài báo trình bày kết quả nghiên cứu thực nghiệm về khả năng chống thấm ion clo và xác định chiều dày lớp vỏ bê tông bảo vệ cốt thép tương ứng với tuổi thọ sử dụng (thời gian bắt đầu ăn mòn cốt thép) của các kết cấu bê tông trong môi trường biển. Kết quả ban đầu cho thấy, khi giảm tỷ lệ nước - chất kết dính thì khả năng chống thấm ion clo của bê tông tăng lên. Đồng thời, bê tông sử dụng muội silic và bê tông sử dụng kết hợp muội silic và tro bay thể hiện khả năng chống thấm ion clo cao hơn nhiều so với bê tông xi măng thường. Tuổi thọ sử dụng dự đoán của bê tông muội silic và bê tông kết hợp muội silic và tro bay cao hơn so với bê tông thường khoảng 2,5 - 3,4 lần và 3,7 - 4,8 lần.

Từ khóa: Chống thấm ion clo, bê tông môi trường biển, muội silic và tro bay.

Abstract: This paper presents the results of experimental research on the resistance to chloride ion permeability and determine the thickness of the reinforced concrete cover corresponding to the service life (initial time of corrosion of reinforcement) of concrete structures in marine environment. The initial results showed that with the reduction of the water-binder ratio of the concrete, the permeability resistance of the concrete is higher. At the same time, concrete uses silica fume and a combination of silica fume and fly ash showed that its resistance to chloride penetration is much better than ordinary cement concrete. The predictable service life of concrete which uses silica fume and a combination of silica fume and fly ash is 2,5 - 3,4 or 3,7 - 4,8 times as long as ordinary cement concrete.

Từ khóa: Waterproofing chloride, marine environmental concrete, silica fume and fly ash.

1. Đặt vấn đề

Trong môi trường biển, tuổi thọ của kết cấu bê tông cốt thép phụ thuộc chủ yếu vào sự suy thoái vì ăn mòn cốt thép do xâm nhập clo. Tuổi thọ sử dụng của kết cấu bê tông cốt thép do xâm nhập clo là thời gian từ khi xây dựng đến khi ăn mòn (do clo) gây ra các hư hại cho kết cấu tới mức việc tiếp tục sử dụng kết cấu không còn an toàn nữa. Theo Tuutti [1] và Browne [2], tuổi thọ sử dụng của kết cấu bê tông gồm có hai giai đoạn. Giai đoạn đầu tiên (giai đoạn khởi đầu ăn mòn) là thời gian cần thiết để các ion clo xâm nhập vào bê tông tập trung trên bề mặt cốt thép đạt đến “ngưỡng nồng độ gây ăn mòn”. Giai đoạn thứ hai (giai đoạn lan truyền ăn mòn) là thời gian từ khi khởi đầu ăn mòn cho tới khi ăn mòn gây ra nứt, bong lớp vỏ bê tông bảo vệ kết hợp với hư hỏng nghiêm trọng dẫn đến kết cấu không còn thỏa mãn trạng thái giới hạn chịu lực.

Tốc độ ăn mòn thường là rất cao trong môi trường biển và khó khăn trong việc mô hình hóa cơ chế này và ảnh hưởng của nó đến kết cấu bê tông, dẫn đến thường xem tuổi thọ sử dụng là thời gian khởi đầu ăn mòn. Để ước định giai đoạn này, mô hình khuyếch tán clo vào bê tông được sử dụng dựa trên định luật khuyếch tán thứ 2 của Fick với giả thiết bê tông đồng nhất trong kết cấu là phương trình có dạng:

 

    (1)

 

Trong đó:

- C(x, t) - Nồng độ clo đo tại chiều sâu x (m) tương ứng với thời gian tiếp xúc t (s), (tính theo % khối lượng bê tông hoặc chất kết dính);

- C_s - Nồng độ clo bề mặt của bê tông (tính theo % khối lượng bê tông hoặc khối lượng chất kết dính).

- D_a(t) - Hệ số khuyếch tán clo ở thời điểm t, m²/s;

- erf - Hàm sai số.

2. Vật liệu chế tạo bê tông và thí nghiệm

2.1. Vật liệu chế tạo bê tông

Nguyên liệu sử dụng trong nghiên cứu gồm đá dăm 5 x 20 Phước Tường - Đà Nẵng, cát Túy Loan - Đà Nẵng hạt lớn có mô đun độ lớn 2,51 phù hợp với TCVN 7570:06. Xi măng Nghi Sơn PCB40 phù hợp TCVN 6260:2009, tro bay VINA loại F Phả Lại phù hợp với ASTM C618, muội silic PP1 phù hợp ASTM C1240 và phụ gia siêu dẻo Glinium 113 gốc polycarboxylate của hãng BASF phù hợp TCVN 8826-2011.

Thành phần cấp phối bê tông cấp 30, 40 và 50Mpa thiết kế tham khảo theo phương pháp ACI 211, độ sụt thiết kế từ 2 - 4 cm. Mỗi cấp bê tông có 3 loại bê tông: Bê tông đối chứng (ĐC), bê tông sử dụng 7% muội silic (7MS) và bê tông sử dụng kết hợp 5% muội silic và 15% tro bay (5MS15TB) và được trình bày ở Bảng 2.1, 2.2 và 2.3.

Bảng 2.1. Thành phần cấp phối của bê tông C30MPa

Bảng 2.2. Thành phần cấp phối bê tông cấp 40MPa

Bảng 2.3. Thành phần cấp phối bê tông cấp 50MPa

Ghi chú:X - Xi măng; N - Nước; TB - Tro bay; MS - Muội silic; CKD - Chất kết dính; C - Cát; Đ - Đá dăm; SD - Phụ gia siêu dẻo; N/CKD - Tỉ lệ nước/chất kết dính.

2.2. Thí nghiệm thấm ion clo của các loại bê tông

Thí nghiệm thấm ion clo được tiến hành theo phương pháp thấm nhanh bằng điện lượng, Tiêu chuẩn ASTM C1202 [3]. Mỗi loại bê tông thử nghiệm 2 mẫu ở tuổi 28 và 56 ngày bảo dưỡng ẩm. Trình tự thử nghiệm thực hiện theo ASTM C1202.

(Thử nghiệm được thực hiện tại Phòng Thí nghiệm Vật liệu xây dựng - Trường Đại học GTVT).

3. Kết quả thí nghiệm

3.1. Độ thấm ion clo

Kết quả thấm ion clo của các mẫu bê tông được thể hiện ở Hình 3.1.

Hình 3.1: Độ thấm ion clo của các loại bê tông ở 28 và 56 ngày

 

Tỉ số độ thấm ion clo của bê tông 7MS, 5MS15TB so với bê tông ĐC (Q_tb/Q_tbĐC) của các loại bê tông được thể hiện như Hình 3.2.

Hình 3.2: Tỉ số Qtb/Qtbđc của các loại bê tông ở 28 và 56 ngày

 

Từ kết quả ở Hình 3.1 và Hình 3.2 cho thấy:

- Với mỗi cấp bê tông, bê tông ĐC có độ thấm ion clo cao nhất, tiếp đến là bê tông 7MS và bê tông 5MS15TB có độ thấm ion clo thấp nhất. Điều này có thể giải thích với hai cơ chế puzolan và lấp đầy: Do phản ứng pozzolanic với canxi hydroxit (CH) tạo thành canxi silicat ngậm nước (CSH) làm tăng pha rắn trong đá xi măng hơn nửa và khả năng điền đầy của hạt tro bay và muội silic đóng vai trò là chất độn mịn, dẫn đến làm giảm hệ thống lỗ rỗng, các lỗ rỗng lớn được chia làm các lỗ rỗng nhỏ hơn và do đó làm thay đổi vi cấu trúc của hồ xi măng, làm tăng độ đặc và cải thiện cấu trúc vùng tiếp giáp cốt liệu - đá xi măng, bê tông trở nên ít thấm nước và cải thiện khả năng chống xâm nhập ion clo [4, 5, 6]. Đồng thời, TB làm tăng khả năng liên kết ion clo của hồ xi măng góp phần làm giảm tính thấm ion clo [7, 8]. Sự gia tăng liên kết clo của TB có thể được gán cho lượng nhôm ô xít cao trong TB [8, 9, 10]. Sự gia tăng liên kết clo của TB cũng có thể được gán cho việc tạo ra nhiều CSH hơn trong quá trình hydrat hóa, dẫn đến khả năng hấp phụ vật lý với clo tốt hơn [11].

- Bê tông có tỉ lệ N/CKD càng nhỏ thì độ thấm ion clo càng thấp.

- Độ thấm ion clo của các loại bê tông ở 56 ngày đều thấp hơn so với 28 ngày. Độ thấm ion clo ở 56 của bê tông C30 đạt 76,84% (ĐC); 80,00% (7MS) và 81,21% (5MS15TB); của bê tông C40 đạt 71,71% (ĐC); 74,04% (7MS) và 72,61% (5MS15TB); của bê tông C50 đạt 61,10% (ĐC); 67,34% (7MS) và 67,16% (5MS15TB) so với 28 ngày.

3.2. Xác định chiều dày tối thiểu của lớp bê tông bảo vệ cốt thép x_min

Theo mô hình dự đoán tuổi thọ Dura concrete [12], Life 365 [13] thì:

 

(2)

 

Trong đó:

- D₀ - Hệ số khuyếch tán ion clo ở tuổi t₀, t₀ = 28 ngày;

- m - Hằng số tùy thuộc thành phần hỗn hợp bê tông, chất kết dính.

Trong trường hợp kết cấu bê tông có cốt thép, thì có thể xác định được chiều dày tối thiểu của lớp bê tông bảo vệ cốt thép x_min bằng cách sử dụng công thức (1).

Thay (2) vào (1) ta được:

 

   (3)

 

Khi nồng độ ion clo trên bề mặt cốt thép đạt đến giá trị ngưỡng nồng độ gây ăn mòn C_CR thì thời gian tiếp xúc t chính là thời gian bắt đầu gây ăn mòn cốt thép t_bđ, như trên đã phân tích t_bđ cũng chính là tuổi thọ sử dụng của kết cấu bê tông t_sd. Kể đến dung sai lớp bê tông bảo vệ ∆x thì phương trình (3) viết lại như sau:

 

     (4)

 

Từ (4) ta rút ra được chiều dày tối thiểu của lớp vỏ bê tông bảo vệ x_min:

 

  (5)

Trong đó:

- t₂₈ = 28 ngày = 0,0767 năm;

- Gía trị m: Theo [12], đối với bê tông xi măng thường ở vùng thủy triều thì m = 0,37. Trong nghiên cứu này, tất cả các loại bê tông đều lấy m = 0,37.

- C_CR - Nồng độ clo tới hạn gây ăn mòn cốt thép, phụ thuộc vào nhiều thông số như thành phần của bê tông, loại xi măng, điều kiện tiếp xúc... Đối với điều kiện biển, theo [12] C_CR = 0,50% CKD với bê tông có N/CKD = 0,50; C_CR = 0,80% CKD với bê tông có N/CKD = 0,40 và C_CR = 0,90% CKD với bê tông có N/CKD = 0,30.

Trong nghiên cứu này, với bê tông C30 (N/CKD = 0,42) lấy C_CR = 0,74% CKD (tương đương C_CR = 0,124% bê tông); với C40 (N/CKD = 0,37) lấy C_CR = 0,83% CKD (tương đương C_CR = 0,157% bê tông) và C50 (N/CKD = 0,30) ta lấy C_CR = 0,90% (tương đương C_CR = 0,164% bê tông).

- ∆x - Dung sai lớp bê tông bảo vệ, lấy ∆x = 10mm.

- C_S - Nồng độ clo bề mặt của bê tông.

Theo kết quả thực nghiệm phân tích sự thay đổi nồng độ clo bề mặt C_S (% khối lượng bê tông) theo thời gian t (năm) của các kết cấu bê tông ven biển ở khu vực Đà Nẵng (bê tông có cường độ 25 - 30Mpa), kết quả như sau:

+ Đối với vùng khí quyển biển:

C_S = 0,128.t^0,476                                                            (6)

+ Đối với vùng thủy triều:

C_S = 0,291.t^0,426                                                            (7)

Liên quan đến vấn đề này, Costa et al [14, 15] và Jun Liu et al [16] kết luận rằng, nồng độ clo bề mặt phụ thuộc chủ yếu vào điều kiện và thời gian tiếp xúc; phụ thuộc không đáng kể vào chất lượng của bê tông, đặc biệt khi thời gian tiếp xúc tăng lên thì sự phụ thuộc vào chất lượng của bê tông càng không đáng kể. Do đó, nồng độ clo bề mặt trong nghiên cứu này có thể lấy theo công thức (6) và (7) để tính toán cho tất cả các loại bê tông. Thay (6) và (7) vào (5) ta được:

- Vùng khí quyển biển:                             

 

(8)

- Vùng thủy triều:                                       

 

(9)

Công thức (8) và (9) để xác định chiều dày tối thiểu của lớp bê tông bảo vệ cốt thép tương ứng với vùng khí quyển biển và vùng thủy triều khi tuổi thọ sử dụng của công trình t_sd (năm) đã biết.

Giá trị D₂₈ của bê tông có thể được xác định thông qua thử nghiệm thấm ion clo bằng phương pháp điện lượng Q₂₈. Theo Berke và Hicks [17], mối tương quan giữa D₂₈ và Q₂₈ được xác định theo công thức thực nghiệm sau:

D₂₈ = 1,03x10^-14 (Q₂₈)^0,84 (m²/s)                 (10)

Kết quả tính toán hệ số khuyếch tán D₂₈ của các loại bê tông theo công thức (10) được ghi trong Bảng 3.1.

Bảng 3.1. Hệ số khuyết tán D₂₈ của các loại bê tông

 

Giả sử tuổi thọ thiết kế của công trình lần lượt là t_sd = 50 năm và 75 năm. Từ công thức (8) và (9) ta tính được chiều dày tối thiểu của lớp vỏ bê tông bảo vệ x_min trong điều kiện khí quyển biển và thủy triều như Bảng 3.2:

Bảng 3.2. Chiều dày tối thiểu của lớp bê tông bảo vệ với các điều kiện tiếp xúc

 

 

Trường hợp chiều dày lớp vỏ bê tông bảo vệ cốt thép đã biết, thời gian bắt đầu ăn mòn cốt thép t_bđ cũng được xác định theo công thức (8) và (9) bằng phương pháp thử dần. Chọn chiều dày của lớp bê tông bảo vệ lần lượt là x = 50mm và 60mm, ta tính được thời gian bắt đầu ăn mòn cốt thép t_bđ, tỉ số t_bđ/t_bđĐC (tỉ số thời bắt đầu ăn mòn cốt thép của bê tông 7MS và 5MS15TB so với bê tông ĐC) trong vùng khí quyển biển và thủy triều như Bảng 3.3:

Bảng 3.3.Thời gian bắt đầu ăn mòn cốt thép với các điều kiện tiếp xúc khác nhau

 

4. Kết luận

Các kết quả nghiên cứu ban đầu có thể đưa ra một số kết luận sau:

- Độ thấm ion clo ở 28 và 56 ngày của bê tông 7MS và 5MS15TB đều ở mức thấm rất thấp so với bê tông ĐC. Độ bền trong môi trường sunfat của bê tông 7MS và 5MS15TB cũng được chứng minh là vượt trội so với bê tông ĐC [18], đồng thời bê tông 7MS và 5MS15TB cũng đáp ứng yêu cầu về mặt cường độ của bê tông dùng để xây dựng mặt đường đường ô tô [19].

- Bê tông có tỉ lệ N/CKD càng nhỏ thì độ thấm ion clo càng thấp và chiều dày tối thiểu của lớp bê tông bảo vệ càng nhỏ.

- Độ thấm ion clo của các loại bê tông tiếp tục giảm dần theo thời gian.

- Bê tông 5MS15TB có độ thấm ion clo thấp nhất và thời gian bắt đầu ăn mòn cốt thép dài nhất; tiếp đến là bê tông 7MS và bê tông ĐC có độ thấm ion clo cao nhất và thời gian bắt đầu ăn mòn cốt thép ngắn nhất khi chiều dày lớp vỏ bê tông bảo vệ và điều kiện tiếp xúc là như nhau.

- Khi tuổi thọ sử dụng t_sd và điều kiện tiếp xúc là như nhau, bê tông 5MS15TB cần chiều dày lớp vỏ bê tông bảo vệ nhỏ nhất, tiếp đến là bê tông 7MS và bê tông ĐC cần chiều dày của lớp vỏ bê tông bảo vệ lớn nhất.

- Tuổi thọ sử dụng tăng lên khi tăng chiều dày lớp vỏ bê tông bảo vệ cốt thép.

- Thời gian bắt đầu ăn mòn cốt thép do xâm nhập ion clo của bê tông 7MS và bê tông 5MS15TB gấp khoảng 2,5 - 3,4 và 3,7 - 4,8 lần tương ứng so với bê tông ĐC khi lớp vỏ bê tông bảo vệ lần lượt là 50mm và 60mm.

Tài liệu tham khảo

[1]. Tuutti, K. (1982), Corrosion of stell in concrete, Swedish Cement and Concrete Research Institute, Stockolom.

[2]. Browne, R. D. (1980), “Mechanisms of corrosion of stell in concrete in relation to design, inspection and repair of off shore and coastal structures” in ACI SP-65, Proceedings of the Intenational Conference on Performance of Concrete in Marine Environment. St. Andrews by the sea. Canada, 169-203.

[3].ASTM C1202-12 “Standard Test Method for Electrical Indication of Concrete’s Ability to Resist Chloride Ion Penetration”.

[4]. J. Prasad, D.K. Jain and A.K. Ahuja: Factors influencing the sulphate resistance of cement concrete and mortar, Asian journal of civil engineering (Building and housing) vol.7, no.3 (2006) pages 259-268.

[5]. Ramezanianpour AA (2013), Cement Replacement Materials: Properties, Durability, Sustainability, Springer Verlag.

[6]. R. D. Hooton (1986), Permeability and Pore Structure of Cement Pastes Containing Fly Ash, Slag, and Silica Fume, Blended Cements, ASTM STP, vol. 897, pp. 128-143.

[7]. Dhir RK, El-Mohr MAK, Dyer TD (1997), Developing chloride resisting concrete using PFA, Cem Concr Res, 27(11):1633-9.

[8]. Arya C, Buenfeld NR, Newman JB (1990), Factors influencing chloride binding in concrete, Cem Concr Res, 20(2):291-300.

[9]. Dhir RK, Jones MR (1999), Development of chloride-resisting concrete using fly ash, Fuel;78(2):137-42.

[10]. Wiens U, Schiessl P (1997), Chloride binding of cement paste containing fly ash, In: Justnes H, editor, Proceedings of the 10th ICCC, Goteborg, Sweden, p. 4-10.

[11]. Kayyali OA, Haque MN (1995), The Cl^- /OH⁺ ratio in chloride-contaminated concrete - a most important criterion, Mag Concr Res, 47:235-42.

[12]. DuraCrete (May 2000), Final Technical Report: General Guidelines for Durability Design  and Redesign.

[13]. Life-365 (July 12, 2013), Service Life Prediction Model and Computer Program for Predicting the Service Life and Life-Cycle Cost of Reinforced Concrete Exposed to Chlorides, Version 2.2.

[14]. Costa A., Appleton J (1999), Chloride penetration into concrete in marine environment- Part (1): Main parameters affecting chloride penetration, Materials & Structures, V.32, pp. 252-259.

[15]. Costa A., Appleton J (1999), “Chloride penetration into concrete in marine environment- Part (2): Prediction of long term chloride penetration” Materials & Structures, V.32, pp. 354-359.

[16]. Jun Liu, Kaifeng Tang, Dong Pan, Zongru Lei, Weilun Wang and Feng Xing (2014), Surface Chloride Concentration of Concrete under Shallow Immersion Conditions, Materials, 7, 6620-6631.

[17]. Berke, N. and Hicks, M., (1992), Estimating the life cycle of reinforced concrete decks and marine piles using laboratory diffusion and corrosion data.

[18]. Hồ Văn Quân, Phạm Duy Hữu, Nguyễn Thanh Sang, Phạm Thái Uyết (2015), Nghiên cứu tác dụng kết hợp của muội silic và tro bay đến độ bền sunfat của bê tông xi măng dùng trong xây dựng mặt đường ô tô, Tạp chí Cầu đường, số 9,trang 28-31.

[19]. Hồ Văn Quân, Phạm Duy Hữu, Nguyễn Thanh Sang (2015), Nghiên cứu tác dụng kết hợp của muội silic và tro bay đến các đặc trưng cường độ của bê tông xi măng dùng trong xây dựng mặt đường ô tô, Tạp chí Cầu đường, số 7, trang 25-30.