Luận án tiến sĩ hus ứng dụng mô hình tang luping olofnilsson để khảo sát sự khuếch tán ci trong bê tông và nghiên cứu ảnh hưởng của phụ gia đến quá trình này

Nghiên cứu ứng dụng mô hình tang luping olofnilsson khảo sát sự khuếch tán ci trong bê tông và ảnh hưởng của phụ gia đến quá trình này.

• Đề tài: Nghiên cứu sự khuếch tán ion clo trong bê tông và ảnh hưởng của phụ gia
• Loại tài liệu: Luận văn

Mục lục chi tiết

• MỞ ĐẦU
• 1. CHƯƠNG 1: GIỚI THIỆU CHUNG VỀ XI MĂNG VÀ BÊ TÔNG
• 1.1. Quá trình hydrat hoá của C3S
• 1.2. Phản ứng của canxi aluminat C3A với thạch cao
• 1.3. Phản ứng hydrat hoá của C4AF
• 1.4. Khái niệm bê tông và bê tông cốt thép
• 1.5. Các yếu tố ảnh hưởng đến chất lượng bê tông
• 1.6. Thực trạng các công trình BTCT ở vùng biển Việt Nam
• 1.7. Nguyên nhân phá hoại các công trình BTCT vùng biển
• 1.8. Sự ăn mòn cốt thép
• 1.9. Sự ăn mòn cốt thép do quá trình cacbonat hoá
• 1.10. Sự ăn mòn cốt thép do ion clo
• 1.11. Sự phá vỡ lớp phủ bê tông
• 1.12. Tác động của băng giá
• 1.13. Tác động hoá học
• 1.14. Tác động của vi sinh vật
• 1.15. Kết luận về sự phá huỷ BTCT trong môi trường biển
• 1.16. Sự khuếch tán ion clo trong bê tông – Các dạng tồn tại của ion clo trong bê tông
• 1.17. Dạng tồn tại của ion clo trong bê tông
• 1.18. Các yếu tố ảnh hưởng đến hệ số khuếch tán
• 1.19. Ảnh hưởng của nồng độ
• 1.20. Ảnh hưởng của nhiệt độ
• 1.21. Ảnh hưởng của tác động trời đất ion
• 1.22. Ảnh hưởng của độ dẫn điện của ion
• 1.23. Xác định nhanh độ thấm ion clo trong bê tông
• 1.24. Phô gia cho bê tông
• 2. CHƯƠNG 2: NỘI DUNG NGHIÊN CỨU
• 2.1. Xác định hệ số khuếch tán theo phương pháp ngâm lâu dài
• 2.2. Xác định nhanh hệ số khuếch tán ion clo trong bê tông
• 2.3. Khảo sát các dạng nồng độ của ion clo trong bê tông và mối quan hệ của chúng trong việc tính hệ số khuếch tán
• 2.4. Xem xét sự phụ thuộc của hệ số khuếch tán vào tỷ lệ X:C và việc sử dụng phụ gia
• 2.5. Tính toán thời điểm bắt đầu ăn mòn cốt thép của công trình BTCT trong môi trường biển
• 2.6. Phương pháp nghiên cứu
• 2.6.1. Phương pháp ngâm lâu dài (phương pháp khoan chuẩn)
• 2.6.2. Phương pháp xác định nhanh sự khuếch tán của ion clo có áp dụng điện trường của Tang Luping và Lars Olof Nilsson
• 2.6.3. Phương pháp xác định các dạng nồng độ ion clo trong bê tông
• 2.6.4. Phương pháp ASTM C1218-92
• 2.6.5. Phương pháp ASTM C1152-90
• 2.6.6. Phương pháp qui hoạch thực nghiệm xác định tỷ lệ tối ưu của phụ gia siêu dẻo và silica fume
• 2.6.7. Các phương pháp khác
• 2.6.8. Dụng cụ và hoá chất
• 2.6.9. Phần mềm máy tính
• 3. CHƯƠNG 3: KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN
• 3.1. Xác định hệ số khuếch tán của ion clo trong bê tông theo phương pháp ngâm lâu dài
• 3.2. Xác định nhanh hệ số khuếch tán của ion clo trong bê tông bằng cách sử dụng điện trường theo Tang Luping và Lars Olof Nilsson
• 3.3. Bài toán mô hình hoá
• 3.4. Xác định nhanh hệ số khuếch tán của ion clo trong bê tông
• 3.5. Kết quả và thảo luận
• 3.6. Một số yếu tố ảnh hưởng đến hệ số khuếch tán Cl− trong bê tông
• 3.6.1. Sự ảnh hưởng của tỷ lệ Xi măng:Cát
• 3.6.2. Sự ảnh hưởng của phụ gia đến hệ số khuếch tán Cl− trong bê tông
• 3.7. Tỷ lệ phụ gia tối ưu cho cường độ kháng nén
• 3.8. Tỷ lệ phụ gia tối ưu cho cường độ kháng uốn
• 3.9. Ảnh hưởng của nhiệt độ đến hệ số khuếch tán Cl− trong bê tông
• 3.10. Các dạng tồn tại của ion clo trong bê tông
• 3.11. Dự đoán thời điểm Cl− bắt đầu ăn mòn cốt thép
• KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ
• CÁC CÔNG TRÌNH KHOA HỌC LIÊN QUAN ĐẾN LUẬN ÁN
• TÀI LIỆU THAM KHẢO
• PHỤ LỤC

Tóm tắt

I. Tổng quan về sự khuếch tán ion clo trong bê tông

Sự khuếch tán ion clo trong bê tông là một vấn đề quan trọng trong ngành xây dựng, đặc biệt là đối với các công trình bê tông cốt thép (BTCT) ở vùng biển. Ion clo có thể gây ra sự ăn mòn cốt thép, làm giảm tuổi thọ của công trình. Nghiên cứu này sẽ cung cấp cái nhìn tổng quan về cơ chế khuếch tán ion clo và các yếu tố ảnh hưởng đến quá trình này.

1.1. Khái niệm về ion clo và bê tông

Ion clo là một trong những ion gây hại cho bê tông, đặc biệt trong môi trường biển. Bê tông là vật liệu xây dựng chính, nhưng sự hiện diện của ion clo có thể dẫn đến sự ăn mòn cốt thép, làm giảm độ bền và tuổi thọ của công trình.

1.2. Tác động của ion clo đến bê tông

Ion clo có thể xâm nhập vào bê tông qua các lỗ mao quản, gây ra sự ăn mòn cốt thép. Điều này không chỉ ảnh hưởng đến tính bền vững của công trình mà còn gây ra thiệt hại kinh tế lớn cho việc bảo trì và sửa chữa.

II. Vấn đề và thách thức trong nghiên cứu sự khuếch tán ion clo

Nghiên cứu sự khuếch tán ion clo trong bê tông gặp nhiều thách thức, bao gồm việc xác định chính xác hệ số khuếch tán và ảnh hưởng của các yếu tố môi trường. Các phương pháp hiện tại thường tốn thời gian và không đáp ứng được yêu cầu thực tiễn.

2.1. Các yếu tố ảnh hưởng đến sự khuếch tán ion clo

Nồng độ ion clo, nhiệt độ, và độ dẫn điện của bê tông là những yếu tố chính ảnh hưởng đến hệ số khuếch tán. Việc hiểu rõ các yếu tố này giúp cải thiện chất lượng bê tông và giảm thiểu sự ăn mòn.

2.2. Thách thức trong việc đo lường hệ số khuếch tán

Phương pháp đo lường hiện tại như phương pháp khoan chuẩn thường tốn nhiều thời gian và không chính xác. Cần có các phương pháp mới để xác định nhanh và chính xác hệ số khuếch tán ion clo trong bê tông.

III. Phương pháp nghiên cứu sự khuếch tán ion clo trong bê tông

Để nghiên cứu sự khuếch tán ion clo, nhiều phương pháp đã được áp dụng, bao gồm phương pháp ngâm lâu dài và mô hình hóa bằng điện trường. Những phương pháp này giúp xác định nhanh hệ số khuếch tán và đánh giá ảnh hưởng của phụ gia.

3.1. Phương pháp ngâm lâu dài

Phương pháp ngâm lâu dài cho phép xác định hệ số khuếch tán ion clo qua thời gian. Tuy nhiên, phương pháp này yêu cầu thời gian dài và không phù hợp cho các ứng dụng thực tiễn.

3.2. Mô hình hóa sự khuếch tán bằng điện trường

Mô hình hóa bằng điện trường là một phương pháp mới, giúp xác định nhanh hệ số khuếch tán ion clo. Phương pháp này có thể áp dụng trong các phòng thí nghiệm và cho kết quả chính xác hơn.

IV. Ứng dụng thực tiễn và kết quả nghiên cứu

Kết quả nghiên cứu cho thấy rằng việc sử dụng phụ gia có thể làm giảm sự khuếch tán ion clo trong bê tông. Các ứng dụng thực tiễn từ nghiên cứu này có thể giúp cải thiện chất lượng bê tông và kéo dài tuổi thọ công trình.

4.1. Ảnh hưởng của phụ gia đến sự khuếch tán

Phụ gia siêu dẻo và siêu mịn hoạt tính đã được chứng minh là có tác dụng tích cực trong việc giảm sự khuếch tán ion clo. Việc tối ưu hóa tỷ lệ phụ gia là rất quan trọng để đạt được hiệu quả cao nhất.

4.2. Dự đoán thời điểm ăn mòn cốt thép

Nghiên cứu cũng đã chỉ ra cách dự đoán thời điểm cốt thép bắt đầu bị ăn mòn dựa trên hệ số khuếch tán ion clo. Điều này giúp các kỹ sư có thể đưa ra các biện pháp bảo trì kịp thời.

V. Kết luận và tương lai của nghiên cứu

Nghiên cứu về sự khuếch tán ion clo trong bê tông là rất cần thiết để bảo vệ các công trình BTCT trong môi trường biển. Tương lai của nghiên cứu này sẽ tập trung vào việc phát triển các phương pháp mới và cải tiến chất lượng bê tông.

5.1. Tầm quan trọng của nghiên cứu

Nghiên cứu này không chỉ giúp nâng cao tuổi thọ công trình mà còn giảm thiểu chi phí bảo trì. Việc hiểu rõ sự khuếch tán ion clo sẽ giúp các nhà thiết kế và kỹ sư đưa ra các giải pháp hiệu quả hơn.

5.2. Hướng đi tương lai trong nghiên cứu

Tương lai của nghiên cứu sẽ tập trung vào việc phát triển các vật liệu bê tông mới có khả năng chống lại sự khuếch tán ion clo, từ đó nâng cao độ bền và tuổi thọ của các công trình.

Trích đoạn nội dung tài liệu

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.Fe2O3 C4AF 10 - 18 4 LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.

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 CSH. 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 LUAN VAN CHAT LUONG download : add [e-mail] 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+ + AlO2 + 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 LUAN VAN CHAT LUONG download : add [e-mail] 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 10m thì phải hơn 30 ngày mới hydrat hoá hoàn toàn, trong khi đó cấp hạt xi măng, một số có thể lên đến 70m, lúc này khả năng hydrat hoá thường không hoàn toàn. 7 LUAN VAN CHAT LUONG download : add [e-mail] - 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 LUAN VAN CHAT LUONG download : add [e-mail] 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 LUAN VAN CHAT LUONG download : add [e-mail] 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.