Chương 1 TỔNG QUAN 1. Giới thiệu chung về xi măng và bê tông 1. Xi măng Xi măng là tên gọi chung của nhóm chất kết dính có đặc tính ngưng kết và đóng rắn khi phản ứng với nước. Xi măng portland được sản xuất bằng phương pháp nung hỗn hợp đá vôi và đất sét.
Trong quá trình nghiền clinke, người ta thường cho thêm vào khoảng 5% lượng CaSO4.2H2O với mục đích điều chỉnh thời gian đông đặc của vữa. Thành phần hoá học của xi măng portland thông thường Oxit Hàm lượng (%) Oxit Hàm lượng (%) CaO 63 – 67 MgO 5 SiO2 21 – 24 TiO2 0,3 Al2O3 4–7 Mn2O3 < 1,5 Fe2O3 2,5 – 4 Na2O, K2O < 1,5 Các oxit trong clinke đều ảnh hưởng đến thành phần pha clinke. Thành phần các oxit chính CaO, Al2O3, Fe2O3, SiO2 và quá trình nung luyện tạo nên bốn pha chính trong clinke. Thành phần pha của clinke Công thức Ký hiệu Thành phần (%) 3CaO.
Quá trình hydrat hoá của C3S Ngay sau khi đổ nước để trộn vữa, C3S hoà tan tạo ra các ion H2SiO42 , OH và Ca2+ theo phản ứng: 2Ca3SiO5 + 6H2O = 6Ca2+ + 8OH + 2 H2SiO42 Ngay sau đó, dung dịch trở nên quá bão hoà đối với hydrat của canxi silicat và các ion này kết tủa nhanh chóng theo phản ứng: 3Ca2+ + 2 H2SiO42 + 2OH + 2H2O = Ca3H2Si2O7(OH)2.3H2O Sản phẩm hydrat như vậy được ký hiệu là CSH. Tại giai đoạn này ta có thể nhận thấy sự tăng giá trị pH của dung dịch do sự giải phóng OH. Người ta đo được giá trị pH trong giai đoạn này vào khoảng pH = 12,8. Sau một thời gian, các sợi canxi silicat xen kẻ chằng chịt vào nhau và lấp đầy các lỗ mao quản, vật liệu trở nên dày đặc và cứng chắc.
Sau khoảng 12 giờ, lớp hydrat bao quanh những hạt silicat khan trở nên tương đối dày, chúng làm giảm sự khuếch tán của các ion cũng như nước. Mặc dù quá trình hydrat hoá giảm đi nhưng nó vẫn còn kéo dài có khi hàng năm, chừng nào còn nước và C2S, C3S, C3A,. trong các lỗ mao quản. Phản ứng của canxi aluminat C3A với thạch cao Thạch cao cho phép điều tiết quá trình hydrat hoá của C3A, là chất mà khi không có ion SO24 sẽ gây nên quá trình đông cứng nhanh của xi măng bằng cách hình thành kết tủa hydrat aluminat.
+ Giai đoạn đầu (quá trình trộn vữa): thạch cao và C3A hoà tan nhanh theo các phản ứng: Ca3Al2O6 + 2H2O = 3Ca2+ + 2 AlO 2 + 4OH CaSO4.2H2O = Ca2+ + SO24 + 2H2O Phản ứng này kèm theo sự phát nhiệt và tạo ra một dung dịch quá bão hoà. Những ion này, ngay lập tức liên kết với nhau để tạo ra các tinh thể 5 z ettringit sớm: 29H2O + 6Ca2+ + 2 AlO 2 + 3 SO24 + 4OH = [Ca2Al(OH)6]2.25H2O ettringit Tiếp theo giai đoạn trên là giai đoạn phản ứng chậm, ettringit tiếp tục được tạo thành. Sau khoảng 10 – 24 giờ, thạch cao bị tiêu tốn hết dẫn đến sự giảm nồng độ SO24 , lúc này dung dịch sẽ trở nên chưa bão hoà đối với ettringit, do vậy chúng sẽ hoà tan cung cấp các ion SO24 để tạo với aluminat dư một hợp chất mới là canxi mono-sunfo aluminat (MSA) 19H2O + 4Ca2+ + AlO2 + SO2- 4 + 4OH = [Ca2Al(OH)6]2.15H2O + Phản ứng trong một thời gian dài Xi măng portland chứa 8 – 12% aluminat, 5% thạch cao, tức tỷ lệ số mol thạch cao/số mol aluminat = 0,8, tỷ số này tương ứng với một hỗn hợp của MSA và hydrat của aluminat tetracanxit [Ca2Al(OH)6]2.12H2O hoặc ứng với dung dịch rắn kiểu như vậy nhưng ion OH được thay thế bằng ion SO24. Trong bê tông, ettringit biến đổi thành MSA sau vài tuần.
Khoảng một tháng sau thì MSA phản ứng chậm với aluminoferit dư để tạo ra một hydrat phức tạp aluminoferit của canxi. Phản ứng hydrat hoá của C4AF Trong clinke ngoài C4AF có thể có C2F và xảy ra sự thuỷ phân, thuỷ hoá tạo nên canxi hydro aluminat, canxi hydro ferit: C4AF + nH2O C3AH6 + CaO.H2O + 2Ca(OH)2 + nH2O 3CaO. Khái niệm bê tông và bê tông cốt thép Hỗn hợp bao gồm: xi măng + cát + nước gọi là vữa xi măng, sau một 6 z thời gian hydrat hoá (khoảng trên 28 ngày) tạo thành một khối rắn chắc gọi là đá xi măng. Hỗn hợp bao gồm: xi măng + cát + đá sỏi + nước được gọi là vữa bê tông, sau khi kết thúc quá trình đóng rắn (trên 28 ngày) tạo thành một khối rắn chắc gọi là bê tông.
Để tăng độ bền chắc và khả năng chịu lực người ta cần gia cố thêm cốt thép giữa khối bê tông sẽ thu được vật liệu gọi là bê tông cốt thép (BTCT). Bê tông đóng vai trò bảo vệ cho cốt thép không bị ăn mòn (giữ môi trường kiềm bao quanh cốt thép), còn cốt thép có tác dụng tăng cường khả năng chịu ứng lực của kết cấu vật liệu. Các yếu tố ảnh hưởng đến chất lượng bê tông Chất lượng bê tông chịu ảnh hưởng của rất nhiều yếu tố: chất lượng các cốt liệu thành phần, tỷ lệ phối liệu (quan trọng nhất là tỷ lệ nước/xi măng - N/X) và kỹ thuật thi công bê tông cũng đóng vai trò quan trọng đối với chất lượng bê tông. a) Tỷ lệ phối liệu Để chế tạo bê tông, việc tính toán tỷ lệ các phối liệu là rất quan trọng, việc tìm ra các tỷ lệ phối liệu tối ưu giúp các nhà xây dựng chế tạo được các loại bê tông phù hợp với yêu cầu sử dụng, đồng thời hạn chế được sự lãng phí chất kết dính, hạ giá thành sản phẩm.
b) Tỷ lệ nước/xi măng: Trong bê tông, nước có hai chức năng: - Chức năng hoá học: Dùng để hydrat hoá các khoáng xi măng. Trên thực tế quá trình hydrat hoá xi măng là không hoàn toàn, mức độ hydrat hoá còn phụ thuộc vào cấp hạt của xi măng, nếu kích thước của hạt xi măng khoảng 10m thì phải hơn 30 ngày mới hydrat hoá hoàn toàn, trong khi đó cấp hạt xi măng, một số có thể lên đến 70m, lúc này khả năng hydrat hoá thường không hoàn toàn. 7 z - Chức năng vật lý: nước còn đóng vai trò làm cho vữa lưu biến để thi công, đó là chức năng vật lý của nước. Đối với các công trình dân dụng, phổ biến thường dùng bê tông với tỷ lệ N/X ~ 0,7.
Như vậy so với lượng nước dùng cho chức năng hoá học thì lượng nước dư rất lớn. Khi bê tông đông rắn, lượng nước dư sẽ thoát ra ngoài để lại các lỗ hổng, lỗ mao quản, vết nứt làm cho bê tông có độ thấm cao, chất lượng công trình như vậy sẽ giảm [82]. Thực trạng các công trình BTCT ở vùng biển Việt Nam Trong công cuộc phát triển kinh tế và bảo vệ quốc phòng hiện nay hàng năm nhà nước ta đã đầu tư hàng nghìn tỷ đồng cho các công trình BTCT trong môi trường biển. Tuy nhiên phần lớn các công trình chỉ sau 20 đến 30 năm đã bị hư hỏng nặng, thậm chí có các công trình đã bị hư hỏng sau 10 đến 15 năm.
Hàng năm nhà nước phải chi phí hàng trăm tỷ đồng cho việc duy tu, sửa chữa cho các công trình BTCT trong môi trường biển. Một công trình khảo sát gần đây về tình trạng ăn mòn và hư hỏng các công trình BTCT từ Quảng Ninh đến Cà Mau của Viện Khoa Học Công Nghệ Xây Dựng [10] cũng như một số tác giả khác [69, 92] cho thấy hầu hết các công trình BTCT ít nhiều đều xảy ra tình trạng ăn mòn, hư hỏng kể cả các công trình mới được xây dựng trong thời gian gần đây. Kết quả khảo sát tình trạng ăn mòn và hư hỏng các công trình BTCT vùng khí quyển trên và ven biển Tên công trình Vị trí làm việc, Tình trạng ăn mòn bê tông và cốt (tỉnh, thành phố) cách mép nước thép Năm khảo sát biển, (km) (hạn sử dụng, năm) Nhà Văn hoá Việt Ven biển Công trình do Nhật Bản hỗ trợ được Nhật (Quảng Ninh): (0,5km) xây dựng năm 1975-1978. 2001 (25) - Bê tông: còn tốt, bong bục nhỏ; hàm 8 z lượng ion clo ở vùng cận cốt thép: 0,044-1,6 kg/m3 bê tông; độ pH = 11,96-12,09.
- Cốt thép: chưa hoặc chớm bị ăn mòn Cảng Cửa Cấm (Hải Khí quyển trên Công trình được xây dựng năm 1972. Phòng): 2001 (30) mặt nước Công trình bị nứt và bong bục bê tông (15km) bảo vệ tại các cột và sàn, riêng các dầm bị hư hỏng 100% và gần như không sử dụng được nữa. Bê tông: bị nứt, bong bục từng mảng; hàm lượng ion clo ở vùng cận cốt thép: 0,35-2,11 kg/m3 bê tông; độ pH: 11,4-12,04. Cốt thép: cột, giằng, dầm bị rỉ rất nặng, nhiều chỗ bị đứt hẳn.
Cảng Cửa Lò (Nghệ Khí quyển trên Công trình được xây dựng năm 1984. An): 2001 (17) mặt nước (5km) Công trình bị nứt, bong bục bê tông bảo vệ ở mức độ trung bình tại các cột, dầm và sàn tại vùng nước lên xuống và khí quyển. Bê tông: bị nứt, bong bục từng mảng; hàm lượng ion clo vùng cận cốt thép: 0,35-1,85 kg/m3 bê tông; độ pH: 11,86-12,15. Cốt thép: bị ăn mòn trung bình đến nặng.
Cảng Qui Nhơn (Qui Khí quyển trên Công trình được xây dựng năm 1994. 9 z Nhơn): 2001 (7) mặt biển (0km) Công trình bị nứt, bong bục bê tông bảo vệ ở mức độ nhẹ đến trung bình tại các cột, dầm vùng nước lên xuống và khí quyển. Bê tông: bị nứt, bong bục từng mảng; hàm lượng ion clo vùng cận cốt thép: 0,53-1,01; độ pH: 12,22-12,44. Cốt thép: cột, dầm bị rỉ nhẹ, một số kết cấu bị ăn mòn nặng.
Cảng thương vụ Khí quyển trên Công trình được xây dựng năm 1987. Vũng Tàu: 2001 (15) mặt nước (3km) Công trình bị hư hỏng ở mức độ trung bình đến nặng. Bê tông: bị nứt, bong bục từng mảng; hàm lượng ion clo vùng cận cốt thép: 0,51-1,94 kg/m3 bê tông; độ pH: 12,40-12,48. Cốt thép: cột, dầm, sàn bị rỉ trung bình đến nặng và rất nặng, nhiều thanh thép ở bụng dầm bị đứt hẳn.
Bến tàu Rạch Giá Khí quyển trên Công trình được xây dựng năm 1985. (Kiên Giang): 2001 mặt nước (3km) Công trình bị hư hỏng ở mức độ nhẹ (16) đến trung bình: nứt, bong bục bê tông bảo vệ tại các chân cột, dầm, giằng vùng nước lên xuống và khí quyển. Bê tông: bị nứt, bong bục từng mảng; hàm lượng ion clo vùng cận cốt thép: 1,78-2,60 kg/m3 bê tông; độ pH: 10 z 12,03-12,2. Cốt thép: cột, dầm bị rỉ nhẹ đến trung bình và nặng.
Nguồn: Viện Khoa Học Công Nghệ Xây Dựng, 2003 [10].