Xi măng bền sun phát và các biện pháp bảo vệ bê tông trong môi trường xâm thực

Xi măng bị ăn mòn môi trường

Xi măng bê tông làm việc trong môi trường nước và đất có chứa ion sun phát, khoáng calcium aluminat tương tác với ion sun phát tạo thành ettringite có thể tích lớn hơn so với khoáng được tạo thành ban đầu, do đó gây ra hiện tượng nở thể tích xi măng bê tông sẽ gây nứt vỡ và tạo điều kiện thuận lợi cho các ion xâm thực khác tương tác với khối bê tông. Xi măng bê tông còn chịu tác nhân xâm thực của cacbonat tạo thành dạng thaumasit. Nhiều nhân tố có thể tác động làm giảm chất lượng của xi măng bê tông. Để bảo vệ bê tông khỏi tác nhân tấn công trong môi trường cần có các biện pháp xử lý.

Phương pháp chung phổ biến nhất để tránh sự tạo thành ettringite là giới hạn hàm lượng tricalcium aluminate trong xi măng, bởi vì tricalcium aluminate (C₃A) trực tiếp liên quan đến sản phẩm ettringite. Do đó, để giảm hàm lượng tricalcium aluminate trong xi măng được thực hiện bằng 02 phương pháp:

Phương pháp 1: Chế tạo xi măng có hàm lượng tricalcium aluminate thấp khi nghiền với một lượng thạch cao phù hợp gọi là xi măng pooc lăng bền sun phát. Chủng loại xi măng này được các nước áp dụng và phổ biến nhất theo tiêu chuẩn Mỹ ASTM C150, tiêu chuẩn này chia xi măng pooc lăng bền sun phát thành 02 loại: Type II - quy định hàm lượng C₃A < 8% và Type V - quy định hàm lượng C₃A < 5% .

Phương pháp 2: Xi măng pooc lăng hỗn hợp bền sun phát, sử dụng phụ gia khoáng hoạt tính trộn với xi măng pooc lăng (xi măng pooc lăng có hàm lượng C₃A > 8%) làm giảm hàm lượng C₃A trong xi măng. Tuy nhiên, khi có thành phần phụ gia khoáng sẽ ảnh hưởng đến các tính chất bền lâu của xi măng. Xi măng hỗn hợp bền sun phát được quy định các chỉ tiêu kỹ thuật trong tiêu chuẩn ASTM C595 và C1157. Hai tiêu chuẩn này cũng phân loại xi măng thành 02 nhóm: Type MS (bền sun phát trung bình) và type HS (bền sun phát cao), trong đó chỉ tiêu quan trọng nhất là thử độ bền lâu của xi măng trong môi trường sun phát ở tuổi 6 tháng và 12 tháng.

Hình 1: Tốc độ phá hủy

Xi măng pooc lăng có hàm lượng tricalcium aluminate cao không ảnh hưởng đến quá trình ăn mòn bê tông do thaumasite gây ra. Vì thaumasite chỉ xuất hiện khi ở môi trường nhiệt độ bảo dưỡng bê tông thấp, trong môi trường tồn tại CaCO₃, ion SO₄^2- và C-S-H (CaSiO₃·CaCO₃·CaSO₄·15H₂O) gây ra nở và là nguyên nhân thuận lợi vữa xi măng bị xốp và mất tính kết dính. Bê tông có tính chống thấm cao, khả năng hình thành thaumasite chậm và giảm tốc độ thâm nhập của ion SO₄^2- . Để bảo vệ bê tông khỏi tác nhân xâm thực cần tạo bê tông có cấu trúc đặc chắc, giảm tỷ lệ nước/xi măng.

Các kết quả nghiên cứu độ bền lâu của xi măng trong môi trường xâm thực sun phát

Viện VLXD đã nghiên cứu và chế tạo các mẫu xi măng bền sun phát theo tiêu chuẩn Mỹ ASTM C150, C595 và C1157.

Theo ASTM C150 xi măng gồm 02 loại: Type II - bền sun phát trung bình và Type V - bền sun phát cao. Xi măng theo ASTM C595 và C1157 gồm xi măng hỗn hợp xỉ - đá vôi, tro bay - đá vôi và xi măng tro bay.

Kết quả thí nghiệm đánh giá độ nở sun phát và cường độ bền lâu của các mẫu trong môi trường xâm thực sun phát và nước biển được thể hiện trong bảng sau:

Kết quả thử độ bền lâu của mẫu xi măng trong môi trường xâm thực

 ^*1 Kết quả nghiên cứu này  được lấy từ  kết quả nghiên cứu đánh giá tác động môi trường của đất và nước ngầm tại TP. Hồ Chí Minh đến tính chất xi măng và bê tông - Viện VLXD năm 2012

*2: OPC là xi măng pooc lăng thông thường với hàm lượng C3A>8%

 Trên các kết quả nghiên cứu ta nhận được cường độ vữa xi măng giảm đáng kể sau 1 năm nếu sử dụng xi măng pooc lăng thông thường. Trong cùng môi trường chứa ion sunphat, mẫu vữa xi măng bền sun phát trung bình có cường độ giảm nhanh hơn so với mẫu vữa xi măng bền sun phát cao.

 Các mẫu xi măng bền sun phát có sử dụng phụ gia nếu được ngâm ngập trong môi trường sun phát ở thời gian 12 tháng không xuất hiện các vết nứt mà chỉ có dấu hiệu ăn mòn các cạnh của viên mẫu. Tuy nhiên, khi bảo quản trong môi trường khô, ẩm thay đổi các mẫu vữa xi măng hỗn hợp dễ dàng bị nứt vỡ nhanh chóng chỉ trong 3 - 5 tháng.

 Khuyến cáo: Nên sử dụng xi măng phù hợp với môi trường làm việc sẽ tăng tuổi thọ và độ bền lâu của các công trình. Trong môi trường xâm thực có nồng độ sun phát cao (SO₄ trong đất > 0,2% hoặc SO₄ trong nước > 1.500 ppm) sử dụng xi măng có độ bền sun phát cao, tức là xi măng pooc lăng bền sun phát type V (ASTM C150 có hàm lượng C₃A < 5%) hoặc xi măng pooc lăng hỗn hợp bền sun phát có độ nở ngâm trong dung dịch sun phát ở tuổi 6 tháng < 0,05% và 12 tháng < 0,1%. Trong môi trường xâm thực có nồng độ sun phát ở mức trung bình (0,1% < SO₄ trong đất < 0,2% hoặc 150ppm < SO₄ trong nước < 1.500 ppm) hoặc trong môi trường nước biển (có nồng độ ion clo > 18.000 ppm) sử dụng xi măng có độ bền sun phát trung bình. Điều đó có nghĩa xi măng pooc lăng bền sun phát type II (ASTM C150 có hàm lượng 5% < C₃A < 8%) hoặc xi măng pooc lăng hỗn hợp bền sun phát có độ nở ngâm trong dung dịch sun phát ở tuổi 6 tháng < 0,1%.Trong kết cấu bê tông chịu tác động của môi trường nóng, khô, ẩm (theo mùa hoặc nước lên xuống của thủy triều không nên dùng xi măng pooc lăng hỗn hợp bền sun phát để chế tạo bê tông.

Các công trình sử dụng xi măng bền sun phát theo ASTM C150 do Viện VLXD sản xuất 

Công ty Dịch vụ và Thương mại Bảo Minh - dự án Cầu sông Rút Quảng Ninh; Công ty CP Xây dựng Bạch Đằng Đà Nẵng - Dự án nhà máy nhiệt điện Vũng Áng 2; Công ty CP LIDECO - Dự án nhiệt điện Quảng Ninh; Công ty CP Phú Sỹ - Dự án nhiệt điện Quảng Ninh; Công ty TNHH KR Vina - Dự án nhiệt điện Quảng Ninh; Công ty TNHH Công trình số 6 Trung Quốc - Dự án mở rộng Đạm Hà Bắc; Công ty Xi măng Tam Điệp - Dự án nhà máy nhiệt điện Vũng Áng 1; Công ty Hóa phẩm và Dung dịch khoan dầu khí DMC; Công ty CP Đầu tư xây dựng HUD 1; Công ty Tư vấn xây dựng thuỷ lợi I ; Xí nghiệp Thi công cơ giới và Xây dựng điện - Công ty Xây lắp điện 4; Công ty Công trình 86 - Tổng công ty Xây dựng Đường thuỷ; Công ty 756 - Bộ Quốc Phòng; Công ty Cầu 7 Thăng Long; Công ty Xây lắp vật tư vận tải sông Đà 12