Sử dụng phụ gia puzơlan tự nhiên để cải thiện độ chống thấm ion clo và tuổi thọ kết cấu bê tông ở môi trường biển

ª ThS. Nguyễn Văn Tươı Trường Cao đẳng Giao thông vận tải II ª TS. Nguyễn Quang Phúc Trường Đại học Giao thông vận tải Người phản biện: GS. TS. Phạm Duy Hữu  PGS. TS. Nguyễn Thanh Sang

Tóm tắt: Bài báo trình bày kết quả nghiên cứu thực nghiệm về độ 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 bê tông cấp 40MPa dùng xi măng bền sun-phát và phụ gia khoáng puzơlan tự nhiên Núi Đầu Voi (Quảng Ngãi). Kết quả ban đầu cho thấy rằng, bê tông sử dụng 15% phụ gia khoáng puzơlan tự nhiên núi Đầu Voi (Quảng Ngãi) thay thế xi măng có khả năng chống thấm ion clo và tuổi thọ sử dụng dự đoán cao hơn nhiều so với bê tông xi măng thường.

Từ khóa: Phụ gia puzơlan tự nhiên, chống thấm ion clo, bê tông môi trường biển.

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 40 MPa which uses sulfate resistance cement and natural pozzolan mineral additive Dau Voi mountain (Quang Ngai) province. The initial results showed that the concrete uses 15% natural pozzolan mineral additive Dau Voi mountain (Quang Ngai) province cement replacement haschloride penetration anh predictable service life is much better than ordinary cement concrete.

Keywords: Natural pozzolanic additives, waterproofing chloride , concrete marine environment.

1. Đặt vấn đề

Bê tông trong môi trường biển có thể bị phá hoại do sự tác động của quá trình hóa lý (tấn công sun-phát, ăn mòn clorua, phản ứng kiềm - cốt liệu, sự rửa trôi portlandite, sự kết tinh muối, đông và tan băng, xói mòn và mài mòn do sóng, vi sinh vật...), tùy thuộc vào tính chất của tác động, sự phá hoại có thể từ hồ xi măng, cốt liệu, vật liệu gia cường hoặc phá hoại đồng thời [1]. Ăn mòn clorua và tấn công sun-phát là những nhân tố chính làm giảm độ bền và tuổi thọ của công trình bê tông cốt thép tồn tại trong môi trường biển. Clorua tác động đến độ bền bởi sự ăn mòn cốt thép và sun phát ảnh hưởng đến độ bền bởi sự phá hoại bê tông. Phá hoại kết cấu bê tông cốt thép gồm hai giai đoạn. Giai đoạn đầu tiên (giai đoạn khởi đầu ăn mòn) là thời gian các ion clo xâm nhập vào bê tông và 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, làm suy giảm cường độ dẫn đến kết cấu không còn thỏa mãn trạng thái giới hạn chịu lực [2, 3].

Để làm tăng cường độ chống thấm clo và tuổi thọ của bê tông thường dùng các loại bê tông HPC sử dụng muội silic, tro bay… Tuy nhiên, để tận dụng vật liệu địa phương, giảm giá thành, giảm ô nhiễm môi trường thì sử dụng phụ gia puzơlan tự nhiên là sự lựa chọn tốt.

Sử dụng phụ gia puzơlan thay thế một phần xi măng cho khả năng chống thấm ion clo cao hơn bê tông thông thường. Điều này có thể giải thích với hai cơ chế puzơlan và lấp đầy: Do phản ứng pozzolanic với canxi hydroxit tạo thành canxi silicat ngậm nước làm tăng pha rắn trong đá xi măng và khả năng điền đầy của hạt puzơlan đóng vai trò là chất độn mịn, dẫn đến làm giảm hệ thống lỗ rỗng 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. Do tác dụng của hai cơ chế trên, bê tông trở nên ít thấm nước và cải thiện khả năng chống xâm nhập ion clo [5, 6].

Bài báo trình bày các kết quả nghiên cứu sử dụng phụ gia khoáng puzơlan tự nhiên núi Đầu Voi (Quảng Ngãi) cải thiện độ chống thấm ion clo và tuổi thọ mỏi của kết cấu bê tông trong môi trường biển.

2. Nghiên cứu thực nghiệm

2.1. Phụ gia puzơlan

Phụ gia khoáng (PZ) là puzơlan núi Đầu Voi - IDICO được sản xuất bằng cách khai thác đá tự nhiên tại mỏ đá núi Đầu Voi (Quảng Ngãi), sau đó nghiền mịn rồi đóng bao. Phân tích thành phần hóa học tại Trung tâm Kỹ thuật Tiêu chuẩn Đo lường Chất lượng 2 (QUATEST 2), kết quả về thành phần khoáng vật puzơlan núi Đầu Voi như ở Bảng 2.1.

Trong chương trình nghiên cứu tổng thể ảnh hưởng của phụ gia puzơlan đến các tính chất cơ lý của bê tông [7,14] đã thực hiện với các hàm lượng phụ gia puzơlan là 5%, 10% và 15%. Kết quả với lượng phụ gia 15% cho cường độ chịu nén tốt nhất được sử dụng nghiên cứu tiếp khả năng chống thấm ion clo của bê tông.

Bảng 2.1. Thành phần khoáng vật của puzơlan núi Đầu Voi

 2.2. Vật liệu thí nghiệm và cấp phối mẫu thí nghiệm 

- Vật liệu dùng trong nghiên cứu gồm: Xi măng (XM) Sông Gianh PC40 phù hợp với TCVN 2682:2009, xi măng bền sun-phát Sông Gianh RSC40 phù hợp với Tiêu chuẩn ASTM C150:2014, một số chỉ tiêu và thành phần khoáng của xi măng được ghi ở Bảng 2.2. Cốt liệu: Sử dụng đá dăm (Đ) 1x2 của mỏ đá Hốc Khế tại Hòa Nhơn (Đà Nẵng) và cát sông (C) Túy Loan tại Hòa Phong (Đà Nẵng). Hai loại cốt liệu này phù hợp với TCVN 7570:2006. Nước (N) dùng để trộn bê tông, trộn vữa, rửa cốt liệu và bảo dưỡng bê tông là nước thủy cục theo TCVN 4506:2012; nước biển (SW) lấy trực tiếp từ biển Xuân Thiều, TP. Đà Nẵng có thành phần ion như Bảng 2.3. Sử dụng phụ gia hóa dẻo Lotus_R201 loại D&G của Công ty Cổ phần Hóa chất Hoa Sen, phù hợp theo Tiêu chuẩn ASTM C494. 

Bảng 2.2. Một số chỉ tiêu và thành phần khoáng vật của xi măng PC40 và RSC40

Bảng 2.3. Thành phần các ion chính có trong nước biển 

 

- Thành phần cấp phối bê tông thiết kế tham khảo theo Quyết định số 778/1998/QĐ-BXD. Thành phần cấp phối bê tông kiểm soát (OPC) được xây dựng trên cơ sở cường độ nén khoảng 40MPa ở 28 ngày và độ sụt của hỗn hợp bê tông là 11cm ± 1cm. Lượng nước dùng cho các cấp phối bê tông dùng xi măng bền sun-phát (RSC) và dùng phụ gia khoáng núi Đầu Voi (PZ15) phải đảm bảo độ sụt tương đương là 11cm ±1cm. Thành phần cấp phối của các loại bê tông được ghi ở Bảng 2.4.

Bảng 2.4. Thành phần cấp phối các loại bê tông cho 1m³

Ghi chú: Lượng nước ghi trong Bảng 2.4 đã bao gồm lượng nước trong cát (độ ẩm 5%) và lượng nước trong đá (độ ẩm 0.4%). XM: Xi măng, PZ: Puzơlan tự nhiên, N: nước, C: Cát, Đ: Đá

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

Mỗi loại bê tông đúc 1 tổ gồm 6 mẫu trụ, kích thước 100 x 200mm để thí nghiệm xác định độ thấm ion clo. Việc đúc và dưỡng hộ các mẫu bê tông được thực hiện theo TCVN 3105 - 1993. Sau 28 ngày bảo dưỡng trong nước thủy cục (W), tất cả các mẫu bê tông được ngâm trong nước biển (SW) đến 6 tháng. Để đảm bảo nước biển ngâm mẫu tương đương với tự nhiên, chúng tôi đã thay đổi nước biển ngâm mẫu 7 ngày một lần trong suốt quá trình nghiên cứu.

Thí nghiệm thấm ion clo được tiến hành theo phương pháp thấm nhanh bằng điện lượng, Tiêu chuẩn ASTM C1202 [4]. Mỗi loại bê tông thử nghiệm ở tuổi 28 và 180 ngày. Trình tự thử nghiệm thực hiện theo ASTM C1202. Thí nghiệm được thực hiện trên thiết bị ELE của Vương quốc Anh tại Phòng Thí nghiệm Vật liệu xây dựng - Trường Đại học Giao thông vận tải. 

Sử dụng phần mềm Minitab17 để thiết kế thực nghiệm (DoE) và phân tích kết quả thí nghiệm.

3. Kết quả thí nghiệm và thảo luận

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 180 ngày

Kết quả phân tích phương sai ANOVA (Analysis of Variance):

Factor          Levels  Values

Loại bê tông         3  OPC, RSC, PZ15

Điều kiện ngâm    2  28 ngày-W, 180 ngày-SW

Source                   DF    Adj SS    Adj MS  F-Value  P-Value

Model                   5  43738155   8747631  2666,87    0,000

Linear                   3  42686934  14228978  4337,96    0,000

Loại bê tông         2  38766934  19383467  5909,39    0,000

Điều kiện ngâm    1   3920000   3920000  1195,08    0,000

2-Way Interactions    2   1051220    525610   160,24    0,000

Loại bê tông * Điều kiện ngâm   2   1051220    525610   160,24    0,000

Error    12     39361      3280

Total     17  43777516

Model Summary

S    R-sq  R-sq(adj)  R-sq(pred)

57,2723  99,91%     99,87%      99,80%

Kết quả thí nghiệm có độ tin cậy cao. Có sự khác biệt có ý nghĩa thống kê lượng độ thấm ion clo theo các yếu tố: Loại bê tông; điều kiện ngâm và tương tác giữa chúng với hệ số p<<0,05 và hệ số xác định R² điều chỉnh đến 99,87%.

- Bê tông OPC có độ thấm ion clo cao nhất, tiếp đến là bê tông RSC và bê tông PZ15 có độ thấm ion clo thấp nhất trong cả 2 điều kiện ngâm.

- Độ thấm ion clo của các loại bê tông ở 180 ngày đều thấp hơn so với 28 ngày.

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

Khi sử dụng mô hình của Tuutti, sự xâm thực của clorua được ước tính qua quá trình khuếch tán một chiều, sử dụng định luật khuếch tán Fick, đối với điều kiện trạng thái không ổn định, nồng độ clorua C(x,t) tại vị trí x và thời điểm t được xác định như sau:

 

(1)

 

 

 

Theo mô hình dự đoán tuổi thọ Dura concrete [7], Life 365 [8] thì:

 

(2)

 

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 khuếch tán clo ở thời điểm t, m²/s;

- erf - Hàm sai số;

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

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

Thay (2) vào (1) ta có:         

 

(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)

                                                             

 

(5)

 

Trong đó:

- t₂₈ = 28 ngày = 0,0767 năm;

- Giá trị m: Theo [7], 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 [7] 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 OPC-SW, RSC-SW (N/CKD = 0,44) lấy C_CR = 0,68% CKD (tương đương C_CR = 0.102% bê tông); với PZ15-SW (N/CKD = 0,46) lấy C_CR = 0,62 % CKD (tương đương C_CR = 0.093% bê tông).

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

- 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 [9]. 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)

Theo Costa et al [10, 11] và Jun Liu et al [12] thì 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. Từ (5), (6) và (7), ta có:

 

 

 

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 [13], mối tương quan giữa D₂₈ và Q₂₈ được xác định theo công thức thực nghiệm sau:

     (10)

 

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

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

Trong trường hợp chiều dày lớp vỏ bê tông bảo vệ cốt thép đã biết, từ công thức (8) và (9) , bằng phương pháp thử dần để xác định được thời gian bắt đầu ăn mòn cốt thép t_bđ. Chọn chiều dày của lớp bê tông bảo vệ lần lượt là x = 50, 60 và 70 mm, 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 RSC-SW và PZ15-SW so với bê tông ĐC) trong vùng khí quyển biển và thủy triều như Bảng 3.2.

Bảng 3.2. Thời gian bắt đầu ăn mòn cốt thép với các điều kiện tiếp xúc khác nhau

4. Kết luận

Từ các kết quả nghiên cứu có thể đưa ra một số kết luận sau:

- Độ thấm ion clo ở 28 và 180 ngày của bê tông RSC-SW và PZ15-SW đều ở mức thấp và rất thấp so với bê tông OPC-SW.

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

- Khi chiều dày lớp vỏ bê tông bảo vệ và điều kiện tiếp xúc là như nhau, bê tông PZ15 có độ thấm ion clo thấp nhất và thời gian bắt đầu ăn mòn cốt thép dài nhất; tiếp đến là bê tông RSC; và bê tông OPC có độ thấm ion clo cao nhất và thời gian bắt đầu ăn mòn cốt thép ngắn nhất.

 Tuổi thọ sử dụng công trình BTCT trong môi trường biển tăng lên khi tăng chiều dày lớp vỏ bê tông bảo vệ.

- Thời gian bắt đầu ăn mòn cốt thép do xâm nhập ion clo của bê tông RSC cao hơn khoảng 1,14 - 1,18 lần, tương ứng so với bê tông OPC khi lớp vỏ bê tông bảo vệ lần lượt là 50, 60 và 70 mm.

- Thời gian bắt đầu ăn mòn cốt thép do xâm nhập ion clo của bê tông PZ15, cao hơn khoảng 3,34 - 4,63 lần tương ứng so với bê tông OPC khi lớp vỏ bê tông bảo vệ lần lượt là 50, 60 và 70 mm.

- Khi chiều dày lớp bảo vệ như nhau thì tuổi thọ sử dụng của công trình BTCT trong điều kiện thủy triều thấp hơn trong điều kiện khí quyển biển.

Tài liệu tham khảo

[1]. ACI (2008), Guide to Durable Concrete, American Concrete Institutes. Farmington.

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

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

[5]. 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.

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

[7]. Hồ Văn Quân, Nguyễn Văn Tươi, Phạm Thái Uyết, Trần Thế Truyền (3/2016), Thực nghiệm phân tích sự thay đổi nồng độ clo bề mặt các công trình bê tông cốt thép theo thời gian ở môi trường biển, Tạp chí GTVT.

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

[9]. 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.

[10]. 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.

[11]. 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.

[12]. Jun Liu, Kaifeng Tang, Dong Pan, Zongru Lei, Weilun Wang and Feng Xing, Surface Chloride Concentration of Concrete under Shallow Immersion Conditions, Materials2014, 7, 6620-6631.

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

[14]. Nguyễn Văn Tươi, Phạm Huy Khang, Nguyễn Văn Hướng (1+2/2016), Hiệu quả của puzơlan tự nhiên đối với độ bền của bê tông trong môi trường biển, Tạp chí GTVT.