Tổng quan nghiên cứu

Trong bối cảnh phát triển công nghiệp và đô thị hóa nhanh chóng tại Việt Nam, nhu cầu xây dựng các công trình dân dụng và công nghiệp ngày càng tăng cao. Bê tông là vật liệu chủ đạo trong xây dựng, chiếm tỷ trọng lớn nhưng lại dễ bị ăn mòn trong môi trường axit, đặc biệt là các công trình tiếp xúc trực tiếp với nước thải, đất chua phèn và các hóa chất công nghiệp. Theo số liệu thế giới, với nồng độ axit H2SO4 từ 80-300 phần triệu, bê tông xi măng portland có thể bị phá hủy sâu đến 5 cm sau 7 năm sử dụng, dẫn đến hư hỏng nghiêm trọng kết cấu công trình. Tại Việt Nam, các vùng đất chua phèn với pH < 6,5 cũng gây ăn mòn mạnh cho bê tông cốt thép, làm giảm tuổi thọ công trình.

Mục tiêu nghiên cứu của luận văn là đánh giá khả năng chống ăn mòn và độ bền của bê tông sử dụng các loại khoáng hạt mịn như silicafume và tro bay trong môi trường axit mạnh (H2SO4 và HCl với nồng độ 5% và 10%). Nghiên cứu tập trung vào việc xác định ảnh hưởng của tỷ lệ phối trộn các phụ gia khoáng hạt mịn đến cường độ chịu nén và sự thay đổi khối lượng của bê tông theo thời gian ngâm trong dung dịch axit. Phạm vi nghiên cứu thực hiện tại thành phố Hồ Chí Minh trong giai đoạn 2017-2019, với các mẫu bê tông hình trụ kích thước 10x20 cm được dưỡng hộ 28 ngày và ngâm trong dung dịch axit trong các mốc thời gian 0, 30, 60 và 90 ngày.

Ý nghĩa nghiên cứu thể hiện ở việc cung cấp giải pháp nâng cao chất lượng bê tông, tăng tuổi thọ công trình trong môi trường ăn mòn axit, đồng thời tận dụng nguồn phế thải công nghiệp tro bay và silicafume, góp phần bảo vệ môi trường và giảm chi phí xây dựng.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Luận văn dựa trên các lý thuyết và mô hình nghiên cứu về:

  • Phụ gia khoáng hạt mịn trong bê tông: Tro bay nhiệt điện là phế thải từ nhà máy nhiệt điện, có kích thước hạt từ 1 đến 20 μm, chứa trên 70% oxit silic, nhôm và sắt, có tính hoạt tính puzolan giúp tăng cường độ và giảm độ thấm của bê tông. Silicafume là hạt siêu mịn (0,1-0,2 micron), có diện tích bề mặt riêng lớn, tham gia phản ứng pozzolan với Ca(OH)2 tạo sản phẩm thủy hóa làm tăng cường độ và độ đặc chắc của bê tông.

  • Cơ chế ăn mòn bê tông trong môi trường axit: Bê tông bị ăn mòn chủ yếu qua ba dạng: ăn mòn hòa tan (loại I), ăn mòn do tương tác axit và muối (loại II), và ăn mòn sunfat (loại III). Axit H2SO4 và HCl tác động làm giảm Ca(OH)2, hình thành các sản phẩm mở rộng như thạch cao và ettringite gây nứt vỡ bê tông. Tốc độ ăn mòn phụ thuộc vào loại axit, nồng độ và thành phần khoáng trong bê tông.

  • Tác động của khoáng hạt mịn đến cấu trúc bê tông: Các hạt mịn lấp đầy lỗ rỗng trong vùng chuyển tiếp giữa xi măng và cốt liệu, tăng cường liên kết, giảm lỗ rỗng và vết nứt, từ đó nâng cao cường độ chịu nén và khả năng chống thấm, làm chậm quá trình ăn mòn.

Phương pháp nghiên cứu

  • Nguồn dữ liệu: Nghiên cứu sử dụng các mẫu bê tông hình trụ kích thước 10x20 cm, được phối trộn với các tỷ lệ khác nhau của silicafume (5% và 10%) và tro bay (10% và 20%), cùng mẫu bê tông không sử dụng phụ gia làm đối chứng.

  • Phương pháp chọn mẫu: Mẫu được chế tạo theo quy trình chuẩn, dưỡng hộ 28 ngày, sau đó ngâm trong dung dịch axit H2SO4 và HCl với nồng độ 5% và 10% trong các mốc thời gian 0, 30, 60 và 90 ngày.

  • Phương pháp phân tích: Đo khối lượng mẫu trước và sau ngâm để xác định tỷ lệ mất khối lượng do ăn mòn. Thực hiện thử nghiệm cường độ chịu nén theo tiêu chuẩn để đánh giá sự thay đổi cường độ theo thời gian ngâm. Phân tích so sánh các cấp phối bê tông để đánh giá ảnh hưởng của thành phần khoáng hạt mịn.

  • Timeline nghiên cứu: Thí nghiệm được tiến hành trong khoảng thời gian 2017-2019, với các mốc ngâm mẫu 0, 30, 60 và 90 ngày nhằm đánh giá sự biến đổi theo thời gian.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

  1. Ảnh hưởng của phụ gia silicafume đến cường độ chịu nén: Bê tông có 10% silicafume kết hợp với 10% tro bay đạt cường độ chịu nén cao nhất, tăng khoảng 15-20% so với bê tông không sử dụng phụ gia. Khi tăng hàm lượng tro bay lên 20%, cường độ giảm khoảng 5-7% so với cấp phối 10% tro bay.

  2. Sự thay đổi khối lượng theo thời gian ngâm: Mẫu bê tông có 10% silicafume và 10% tro bay giảm khối lượng ít nhất, chỉ khoảng 3% sau 90 ngày ngâm trong dung dịch axit 10%, trong khi mẫu bê tông không phụ gia giảm tới 8-10%.

  3. Ảnh hưởng của nồng độ axit: Cường độ chịu nén và khối lượng của mẫu giảm nhanh hơn khi ngâm trong dung dịch axit 10% so với 5%, với mức giảm cường độ trung bình gấp 1,5 lần.

  4. Tính công tác và độ bền: Các mẫu bê tông sử dụng phụ gia khoáng hạt mịn có tính công tác tốt hơn, giảm lượng nước trộn khoảng 10%, đồng thời duy trì độ bền cao hơn trong môi trường ăn mòn axit.

Thảo luận kết quả

Kết quả cho thấy việc bổ sung silicafume và tro bay làm tăng cường độ chịu nén và giảm thiểu sự mất khối lượng do ăn mòn axit, phù hợp với cơ chế phản ứng pozzolan làm tăng sản phẩm thủy hóa và giảm lượng Ca(OH)2 dễ bị hòa tan. So với các nghiên cứu quốc tế, kết quả này tương đồng với các báo cáo về hiệu quả của silicafume trong việc nâng cao độ bền bê tông trong môi trường axit sunfuric và clohydric.

Biểu đồ thể hiện sự thay đổi cường độ chịu nén theo thời gian ngâm cho thấy xu hướng giảm chậm hơn rõ rệt ở các mẫu có phụ gia khoáng hạt mịn, minh chứng cho khả năng chống ăn mòn được cải thiện. Bảng số liệu so sánh tỷ lệ mất khối lượng cũng làm nổi bật ưu thế của cấp phối 10% silicafume kết hợp 10% tro bay.

Nguyên nhân chính là do các hạt mịn lấp đầy lỗ rỗng, tăng cường liên kết vùng chuyển tiếp, đồng thời phản ứng pozzolan tạo ra các sản phẩm thủy hóa bền vững hơn, làm giảm độ thấm và ngăn cản sự xâm nhập của axit. Tuy nhiên, khi tăng tro bay lên 20%, sự giảm cường độ có thể do ảnh hưởng của lượng phụ gia vượt mức tối ưu, làm giảm tính đồng nhất của hỗn hợp.

Đề xuất và khuyến nghị

  1. Áp dụng cấp phối bê tông với 10% silicafume và 10% tro bay trong các công trình tiếp xúc trực tiếp với môi trường axit mạnh nhằm tăng cường khả năng chống ăn mòn và kéo dài tuổi thọ công trình. Thời gian áp dụng: ngay trong các dự án xây dựng mới.

  2. Tăng cường kiểm soát chất lượng nguyên liệu khoáng hạt mịn như tro bay và silicafume, đảm bảo độ mịn, hàm lượng oxit và tạp chất phù hợp theo tiêu chuẩn TCVN 10302:2014 để đạt hiệu quả tối ưu trong bê tông.

  3. Khuyến khích sử dụng phụ gia khoáng hạt mịn trong bê tông tái tạo và sửa chữa các công trình bị ăn mòn axit, giúp giảm chi phí bảo trì và nâng cao độ bền công trình hiện hữu. Chủ thể thực hiện: các nhà thầu xây dựng và đơn vị bảo trì công trình.

  4. Nghiên cứu tiếp tục về phối hợp các loại phụ gia khoáng hạt mịn khác như xỉ lò cao, puzolan tự nhiên để mở rộng phạm vi ứng dụng và tối ưu hóa hiệu quả chống ăn mòn trong các điều kiện môi trường khác nhau. Thời gian nghiên cứu: 2-3 năm tiếp theo.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

  1. Kỹ sư và nhà quản lý xây dựng: Áp dụng kiến thức về phối trộn bê tông có phụ gia khoáng hạt mịn để thiết kế và thi công các công trình có yêu cầu chống ăn mòn axit cao, nâng cao chất lượng và tuổi thọ công trình.

  2. Các nhà nghiên cứu và sinh viên ngành xây dựng: Tham khảo phương pháp nghiên cứu, kết quả thí nghiệm và cơ sở lý thuyết về vật liệu bê tông chịu ăn mòn, làm nền tảng cho các đề tài nghiên cứu tiếp theo.

  3. Doanh nghiệp sản xuất vật liệu xây dựng: Phát triển sản phẩm bê tông chất lượng cao sử dụng phụ gia khoáng hạt mịn, tận dụng nguồn phế thải công nghiệp, giảm chi phí và tăng tính cạnh tranh trên thị trường.

  4. Cơ quan quản lý và hoạch định chính sách: Xây dựng tiêu chuẩn kỹ thuật và quy định về sử dụng vật liệu bê tông chống ăn mòn trong các công trình công nghiệp và dân dụng, góp phần bảo vệ môi trường và phát triển bền vững.

Câu hỏi thường gặp

  1. Phụ gia khoáng hạt mịn có tác dụng gì trong bê tông?
    Phụ gia khoáng hạt mịn như silicafume và tro bay giúp lấp đầy lỗ rỗng trong bê tông, tăng cường liên kết vùng chuyển tiếp, tham gia phản ứng pozzolan tạo sản phẩm thủy hóa bền vững, từ đó nâng cao cường độ và khả năng chống thấm, giảm ăn mòn.

  2. Tại sao môi trường axit lại gây ăn mòn bê tông?
    Axít trong môi trường như H2SO4 và HCl phản ứng với các sản phẩm thủy hóa của xi măng, đặc biệt là Ca(OH)2, làm giảm cường độ, tạo ra các sản phẩm mở rộng gây nứt vỡ và tăng độ xốp, dẫn đến phá hủy cấu trúc bê tông.

  3. Tỷ lệ phối trộn silicafume và tro bay tối ưu là bao nhiêu?
    Nghiên cứu cho thấy tỷ lệ 10% silicafume kết hợp với 10% tro bay là tối ưu, giúp tăng cường độ chịu nén lên 15-20% và giảm mất khối lượng do ăn mòn, trong khi tăng tro bay lên 20% có thể làm giảm hiệu quả.

  4. Phương pháp thí nghiệm được sử dụng để đánh giá khả năng chống ăn mòn?
    Mẫu bê tông được dưỡng hộ 28 ngày, sau đó ngâm trong dung dịch axit H2SO4 và HCl với nồng độ 5% và 10% trong các mốc thời gian 0, 30, 60, 90 ngày. Đo khối lượng và thử cường độ chịu nén để đánh giá sự thay đổi do ăn mòn.

  5. Lợi ích của việc sử dụng phụ gia khoáng hạt mịn trong bê tông là gì?
    Ngoài tăng cường độ và khả năng chống ăn mòn, phụ gia khoáng hạt mịn còn giúp giảm lượng nước trộn, cải thiện tính công tác, tận dụng phế thải công nghiệp, giảm chi phí và bảo vệ môi trường.

Kết luận

  • Bê tông sử dụng 10% silicafume kết hợp 10% tro bay có khả năng chống ăn mòn axit tốt nhất, duy trì cường độ chịu nén cao và giảm mất khối lượng sau 90 ngày ngâm trong dung dịch axit 10%.
  • Nồng độ axit và tỷ lệ phối trộn phụ gia khoáng hạt mịn ảnh hưởng rõ rệt đến tốc độ ăn mòn và độ bền của bê tông.
  • Phụ gia khoáng hạt mịn cải thiện cấu trúc vùng chuyển tiếp, giảm lỗ rỗng và tăng liên kết giữa các thành phần bê tông.
  • Kết quả nghiên cứu góp phần phát triển bê tông chất lượng cao, bền vững trong môi trường ăn mòn, đồng thời tận dụng nguồn phế thải công nghiệp.
  • Đề xuất áp dụng cấp phối tối ưu trong các công trình tiếp xúc môi trường axit và nghiên cứu mở rộng các loại phụ gia khoáng hạt mịn khác trong tương lai.

Hành động tiếp theo: Khuyến khích các đơn vị xây dựng áp dụng cấp phối nghiên cứu, đồng thời triển khai nghiên cứu bổ sung để tối ưu hóa vật liệu bê tông chống ăn mòn trong các điều kiện thực tế đa dạng.