CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN 1.1 Tình hình nghiên cứu Nước ta đang trong quá trình phát triển ngày càng cao, sự gia tăng về dân số, các khu công nghiệp mọc lên càng nhiều. Các công trình được xây dựng ngày càng nhiều và cũng phải đáp ứng được các tiêu chuẩn, chất lượng, thời gian sử dụng lâu dài, tính kinh tế, mức độ ảnh hưởng đến môi trường. Trong ngành kỹ thuật xây dựng, bê tông chiếm vai trò quan trọng và khối lượng lớn trong các công trình xây dựng. Tuy nhiên, loại vật liệu bê tông truyền thống có nhiều điểm hạn chế gây ra những ảnh hưởng không nhỏ đến chất lượng công trình.
Dễ nhận thấy nhất là bê tông thông thường dễ bị ăn mòn phá huỷ làm phá vỡ các liên kết và khả năng chịu nén kém làm ảnh hưởng đến khả năng chịu lực của cấu kiện và hư hỏng cấu kiện. Do đó bê tông dễ bị phá hủy và chất lượng, tuổi thọ công trình bị giảm xuống. Trong đó có môi trường nước thải trong sinh hoạt hằng ngày, nước thải từ khu dân cư, khu công nghiệp, môi trường nước chua phèn… Bê tông phải tiếp xúc và làm việc trực tiếp trong các môi trường khắc nghiệt có rất nhiều hóa tạp chất, đặc biệt là axit gây ra sự ăn mòn dẫn đến giảm chất lượng cho công trình sử dụng. Vì vậy, các vấn đề nâng cao chất lượng, tăng tuổi thọ cho công trình được đặt ra cho ngành công nghiệp xây dựng hiện nay.
Xuất phát từ tầm quan trọng và những hạn chế của bê tông truyền thống, các nhà nghiên cứu trong và ngoài nước đã không ngừng nghiên cứu thành phần, tính chất và tìm ra những giải pháp tối ưu nhất để cải thiện chất lượng bê tông. Ngoài việc chú trọng công tác bảo dưỡng đúng quy trình kỹ thuật và sử dụng phụ gia để tăng cường độ, rút ngắn thời gian thi công bê tông thì việc cải thiện chất lượng cốt liệu, sử dụng cốt liệu mịn trong bê tông là một trong những phương pháp được nghiên cứu và ứng dụng trong bê tông thời gian gần đây. Thành phần chủ yếu của bê tông là cốt liệu lớn, cốt liệu nhỏ, chất kết dính vô cơ và các thành phần hạt mịn. Ưu điểm của loại bê tông 1 Luan van sử dụng các loại hạt mịn này không chỉ ở việc các hạt nhỏ lèn chặt vào lỗ rỗng làm tăng cường độ chịu nén mà còn giảm khả năng bị phá hủy của cấu kiện.1: Bồn chứa axit H2SO4 của nhà máy công nghiệp (Nguồn Internet) Hình 1.2: Nước thải từ các khu dân cư (Nguồn Internet) Trước đây nghiên cứu ở các nước trên thế giới cho rằng, xi măng portland bị phá hoại trong môi trường nước thải có lẽ giống như sự phá hoại xi măng portland trong môi trường nước biển, mà ngành hàng hải thế giới đã bị thiệt hại khá lớn do bến cảng, cầu tầu, âu đà, trụ đèn hải đăng, đập chắn sóng được xây dựng bằng xi măng portland đã bị phá hoại, theo cách lập luận này đã sử dụng xi măng puzolan để đúc ống dẫn nước thải thành phố, khu công nghiệp.
Hậu quả là xi măng puzolan cũng như xi măng portland đều bị nước thải gặm mòn như nhau. Như vậy, nguyên nhân phá hoại portland trong nước biển khác với sự phá hoại xi măng trong môi trường nước thải. [1] 2 Luan van Trong nước thải có nhiều abumin do xác súc vật chết, thối rữa, thức ăn thừa và nhiều hợp chất hữu cơ, vô cơ có chứa lưu huỳnh, một loại vi sinh yếm khí phân huỷ chung, chỉ sau một đêm biến thành hydro sulfua (H2S), sau vài giờ nó có thể bốc lên không khí. [2] H2S là khí có khả năng ôxy hoá rất mạnh trong đường ống chứa nước thải được chế tạo bằng xi măng portland, trong khoảng trống của đường ống không chứa nước thải, khí H2S bốc lên ngưng tụ vào bê tông, bê tông là môi trường bị khí H2S ôxy hoá biến thành axit H2SO4.
Axit làm mủn bê tông, rơi xuống thành bùn.1) Theo số liệu của thế giới, với nồng độ H2SO4 từ 80-300 phần triệu, sau 7 năm, bê tông xi măng portland bị phá huỷ 5cm. Khi lớp xâm thực tiến đến lớp cốt thép phía trong bê tông, lớp cốt thép nhanh chóng bị phá huỷ, và ống cống bị sập, đổ, vỡ. Môi trường “chua”: Công trình thuộc vùng đất chua phèn, pH < 6,5 cũng gây ăn mòn bê tông cốt thép rất mạnh.3: Cống Cầu Tàu - Bến Tre, sau 12 năm sử dụng [2] Đất chua phèn có một quá trình hình thành đặc biệt. Trong đất có chứa nhiều hợp chất sunphua chủ yếu là pirit.
Đất axit sunfuric nếu để khô có đặc tính rất chua, trong 3 Luan van đất có những đốm màu vàng đó là các muối sunphát sắt nhôm. Nhân dân Nam Bộ thường gọi là đất phèn.4: Cống An Hạ - Bình Chánh, sau 3 năm sử dụng [2] Cơ chế quá trình biến đổi đất phèn: Trong quá trình nước luôn chuyển, FeS2 kết hợp với Oxy tạo nên hợp chất sunphat Fe2+ + S2- + 2O2 = Fe2+ + S6+ + O42- (1.2) Áp dụng phương trình tổng quát trên đất phèn 2FeS2 + 7O2 + 2H2O = 2FeSO4 + 2H2SO4 (1.3) Tương tự như thế, trong đất phèn có các muối sunphat FeSO4, Fe2(SO4)3, Al2(SO4)3, Na2SO4, K2SO4, MgSO4, KFe3(SO4)2(OH)6. Các hợp chất trên ngoài H2SO4, đa số còn lại khi thủy phân cũng cho H2SO4 nên đất và nước trở nên rất chua. FeSO4 + 2H2O Fe(OH)2 + H2SO4 (1.4) Do đặc điểm của quá trình hình thành đất phèn, trong đất có hàm lượng sunphat cao.
Ngoài ra do ảnh hưởng của sự xâm nhập của nước biển qua các cửa sông lớn, trong thành phần của nước có một lượng muối nhất định. Căn cứ vào thành phần hóa học của đất phèn ở một số địa điểm khảo sát trong khu vực đồng bằng sông Cửu Long, chúng tôi tiến hành thống kê những chỉ tiêu có tác động đến tuổi thọ của bê tông cốt thép. [3] 4 Luan van Phương pháp cách ly bê tông xi măng portland với môi trường khí H2S ngưng tụ trong một môi trường mà khí H2S không có khả năng ôxy hoá thành H2SO4. Ở Mỹ, người ta đã sử dụng sơn một lớp nhựa đường vào phía trong đường ống dày 1,5mm.
Thành phố Quytao đã quét một lớp paraphin, hay một lớp nhựa hữu cơ vào phía trong đường ống. Hay giải pháp phổ biến hiện nay là sử dụng hệ chất kết dính hữu cơ như alkyd, epoxy, silicon hay polyurethane… để sơn phủ bề mặt bê tông ngăn chặn và ức chế lại sự ăn mòn. Tuy nhiên các giải pháp này đã kéo dài thời gian sử dụng đường ống, tuy giá thành rất cao, nhưng cũng là giải pháp tình thế mà thôi. Từ những vấn đề trên, một yếu tố đáng quan tâm trong nâng cao chất lượng bê tông hạt mịn (Tro bay, Silicafume, Các puzolan tự nhiên nghiền mịn, Xỉ hạt lò cao nghiền mịn…) chính là việc tận dụng nguồn nguyên liệu tại địa phương và nguồn phế phẩm công nghiệp.
Việc đó không chỉ giảm thiểu ô nhiễm môi trường mà còn giảm đáng kể giá thành của bê tông trong các công trình xây dựng. Các nghiên cứu cho thấy nguồn tro bay, một loại phế thải thu được từ quá trình sản xuất công nghiệp khi được bổ sung vào bê tông không chỉ khống chế nhiệt độ ban đầu, giảm ứng suất nhiệt trong khối bê tông, tăng độ bền, kéo dài tuổi thọ công trình, giá thành có thể rẻ hơn đến 30%, và giảm 10% nước trộn bê tông. Tuy nhiên, việc sử dụng tro bay chưa phát huy được tính đặc chắc của bê tông nền, để tạo nền bê tông đặc chắc với các hạt silicafume rất mịn và có hoạt tính cao tham gia phản ứng pozolan với hydroxyt canxi hình thành khi xi măng thủy hóa; do vậy làm tăng sản phẩm thủy hóa và giảm lượng hydroxyt canxi. Vậy khi sử dụng hàm lượng silicafume hợp lý sẽ làm tăng cường độ và giảm khả năng thấm của bê tông để ngăn chặn sự ăn mòn trong các môi trường tiếp xúc gây ra, làm bê tông trở nên bền lâu hơn.1 Khái niệm bê tông sử dụng phụ gia khoáng hạt mịn Một loại bê tông chất lượng cao (HPC), sử dụng các loại phụ gia khoáng hạt mịn: Tro bay, Silicafume, Metacaolanh, các puzolan tự nhiên nghiền mịn, xỉ hạt lò cao nghiền mịn… để nâng cao cường độ chịu nén, tăng độ bền, hạn chế ăn mòn cho bê 5 Luan van tông khi chịu tác động của môi trường xung quanh phải chịu tác động phá hoại của các môi trường xâm thực.5: So sánh kích thước của các hạt mịn (Nguồn Internet) 1.2 Tình hình nghiên cứu ngoài nước Việc nghiên cứu về độ bền của bê tông và bê tông cốt thép trong các môi trường ăn mòn cho các công trình đặc dụng đã được các nhà khoa học trên thế giới quan tâm và được nghiên cứu từ đầu thế kỷ 20.
Các công trình, đề tài nghiên cứu đã xác định tính chất nghiêm trọng của sự phá hỏng công trình bê tông cốt thép là do ăn mòn hóa học gây ra. Các nhà khoa học đã đi đến kết luận thống nhất về nguyên nhân ăn mòn là do các sản phẩm hủy hóa của xi măng bị tan vào môi trường hoặc tác dụng với các muối, axit có trong môi trường tạo ra những hợp chất có tính tan mạnh hoặc nở thể tích gây nên sự phá hủy kết cấu nội bộ các công trình. Bằng xi măng portland không thể chế tạo bê tông có khả năng bền vững trong môi trường ăn mòn. Các công trình nghiên cứu cũng đánh giá được hiệu quả của các biện pháp chống ăn mòn: dùng phụ gia vô cơ hoạt tính, dùng xi măng đặc biệt… Việc 6 Luan van nghiên cứu tăng cường khả năng chống ăn mòn cho bê tông trong các môi trường này vẫn kéo dài cho đến nay.
Song đã nghiên cứu về cơ chế ăn mòn axit sunfuric đối với bê tông trong môi trường ngâm, từ đó đánh giá được tốc độ ăn mòn của bê tông với tỷ lệ nước- xi măng ngâm trong các nồng độ ph khác nhau. Kawai cùng các cộng sự đã nghiên cứu về thiệt hại bê tông gây ra bởi sự tấn công axit sulfuric, đánh giá được sự ăn mòn của bê tông dùng xỉ lò cao và tro bay trong môi trường axit sunfuric. Nnadi và các cộng sự đã nghiên cứu sự đánh giá sự suy giảm trọng lượng và khả năng ăn mòn điện của bê tông dùng xi măng portland thông thường kết hợp tro bay trong môi trường axit sunfuric. Monteny cùng nhóm cộng sự đã nghiên cứu sự ăn mòn trong môi trường axit sunfuric 0,5% của bê tông kết hợp các loại polymer, phụ gia silicafume.