Thông tin chuyên ngành Xi măng Việt Nam

>> Vật liệu phủ Liti Silicat bảo vệ bề mặt bê tông xi măng (P2)

1. Giới thiệu

Như chúng ta đã biết, bê tông xi măng là loại vật liệu xây dựng nhân tạo được dùng phổ biến nhất trên thế giới để xây dựng các công trình dân dụng, công nghiệp, giao thông, hạ tầng... Nó chịu nước khá tốt, cường độ chịu lực cao và là vật liệu dễ tạo hình kết cấu xây dựng với nhiều kiểu dáng và dạng kích thước khác nhau. Mặc dù vậy, ngay cả với các loại bê tông chất lượng cao thì trong cấu tạo bê tông vẫn chứa nhiều các khuyết tật bao gồm các loại lỗ rỗng hay các vết rạn, nứt tế vi trên bề mặt và bên trong cấu trúc (Hình 1).
Các khuyết tật này là nguyên nhân dẫn đến quá trình bê tông bị mài mòn, ăn mòn khi tiếp xúc với môi trường ẩm mốc, vi khuẩn, hóa chất gây ăn mòn cao,… Nhìn chung xét về kích thước, các nứt vỡ và rỗng có bề rộng thường dao động từ micromét đến milimét. Phần lỗ rỗng chủ yếu do nước bốc hơi khi đóng rắn và bọt khí bị cuốn vào trong quá trình trộn bê tông. Những nứt vỡ tế vi chủ yếu do nguyên nhân co ngót sinh ra nội ứng suất trong quá trình hình thành và hoàn thiện vi cấu trúc. Những tác động ăn mòn từ môi trường có thể bao gồm các phản ứng kiềm cốt liệu, ăn mòn sunphát, ăn mòn cốt thép... Từ đó nhìn chung đều dẫn đến sự suy giảm cường độ và gây ảnh hưởng xấu trực tiếp đến độ bền của kết cấu bê tông, vốn có yêu cầu bền vững theo tuổi thọ của công trình. Những hư hỏng này không ngừng phát triển đặc biệt trong điều kiện khí hậu nóng ẩm ở nước ta, làm tăng kinh phí duy tu và sửa chữa [1].

Vật liệu phủ tăng cứng gốc silicát đang được xem là giải pháp phủ mới dùng trong xử lý khuyết tật bề mặt vật liệu bê-tông xi măng nhằm thay thế cho các vật liệu phủ gốc polime (nhựa epoxy, nhựa PV...) [2]. Có thể thấy sử dụng chất phủ epoxy sau khi phủ lên bề mặt bê tông tạo nên lớp màng kín che phủ vật lý toàn bộ. Do đó, khi hơi ẩm thoát qua bề mặt thường bị ngăn cản bởi lớp màng kín này làm cho hơi nước không thoát ra ngoài được, dẫn đến sau thời gian lớp epoxy bị rộp, gây bong ra khỏi bề mặt bê-tông. Trong khi đó sử dụng chất phủ vô cơ silicát, vật liệu phủ tạo liên kết với cấu trúc nền bê tông nên hơi nước vẫn có thể thoát một chiều qua bề mặt. Nói cách khác là lớp phủ bề mặt này giúp tăng độ bền nhưng vẫn đảm bảo duy trì trạng thái thở một chiều hơi nước từ bên trong bê tông có thể thoát ra nhưng ở trên mặt thì không thể xâm nhập xuống và không gây hiện tượng bong tróc [3]. Ngoài ra bề mặt bê tông sau phủ vẫn duy trì được màu sắc tự nhiên thay vì đổi sang màu của nhựa epoxy. Sự hình thành liên kết bề mặt bê tông xi măng với chất phủ gốc silicát chủ yếu dựa trên cơ sở phản ứng hóa học với thành phần Ca(OH)₂ - sản phẩm thủy hóa của xi măng - tạo thành khoáng CS-H bền vững tương tự như các sản phẩm khoáng canxi silicát hiđrát của quá trình xi măng Poóc-lăng thủy hóa đóng rắn [4]. Bên cạnh việc tạo khoáng chính C-S-H thì theo một số công bố gần đây còn cho thấy các phản ứng khác với các khoáng thủy lực của xi măng Poóc-lăng như C₃A, C₃S trong đó vai trò chất phủ silicát chính là tạo môi trường kiềm phản ứng trao đổi ion xảy ra [5-7]. Một cách tổng quát phản ứng giữa dung dịch phủ kiềm silicát R₂O.SiO₂ nói chung - với R là ion kiềm Na⁺ , K⁺ , Li⁺ và Ca(OH)₂ có thể viết lại như sau [8].
Trong đó, CaO.SiO₂.H₂O chính là khoáng phức hyđrát mới được bồi đắp trên nền bê tông xi măng. Nếu vật liệu bê tông xi măng vốn như phân tích ở trên mang trong mình nó những khuyết tật nứt vỡ, lỗ rỗng được bổ sung thành phần khoáng C-S-H thì có thể cải thiện tính bền một cách tự nhiên. Trên thị trường hiện nay đã có một số sản phẩm thương mại chất phủ tăng cứng mặt sàn bê tông DECOsil^® [9], Cemkrete tuy nhiên chủ yếu là các sản phẩm nhập ngoại, chi phí cao và hầu như chưa có những nghiên cứu công bố về bản chất phản ứng hóa học nhằm có thể thuyết phục người sử dụng về quan hệ chi phí và chất lượng so với giải pháp thông dụng phủ nhựa polime. Trong phần tiếp theo, sẽ trình bày nghiên cứu thực nghiệm quá trình nung, tổng hợp dung dịch vật liệu phủ liti silicát và thử nghiệm phủ lên bề mặt mẫu bê tông trên qui mô thí nghiệm. Các kết quả phân tích vật liệu và đánh giá tính chất cơ - lý nhằm giúp đưa ra những kết luận hiệu quả trong xử lý khuyết tật bề mặt mẫu bê tông.

2. Nguyên liệu và chuẩn bị dung dịch phủ Li₂O.SiO₂

2.1. Nguyên liệu
Các nguyên liệu dùng để tạo thủy tinh liti silicát bao gồm thành phần nguyên liệu cung cấp hai thành phần oxít liti và oxit silíc. Theo giản đồ pha hệ Li₂O-SiO₂ thì về mặt lý thuyết ta thấy hợp chất Li₂SiO₃ (liti meta-silicát) nóng chảy ở khoảng nhiệt độ 1201°C ứng với tỉ lệ thành phần phối liệu theo khối lượng 67% SiO₂ và 33% Li₂O (Hình 2). Trong nghiên cứu này, muối liti cacbonat đóng vai trò cung cấp thành phần Li₂O và bột silica chính là thành phần SiO₂. Muối liti cacbonat là sản phẩm hóa chất thương mại, tuy nhiên trên thực tế vẫn có thể dùng các dạng nguyên liệu tự nhiên khác như tràng thạch liti. Bảng 1 trình bày kết quả phân tích thành phần hóa của hai nguyên liệu, và hoàn toàn phù hợp sử dụng trong nghiên cứu.

2.2. Chuẩn bị dung dịch phủ Li₂O.SiO₂
Quy trình tiến hành chuẩn bị dung dịch phủ liti silicát được tóm tắt như sau: Chuẩn bị phối liệu → nghiền mịn → nấu thủy tinh → Frit hóa → Nghiền ướt → Hấp thủy nhiệt → Lọc thu sản phẩm dung dịch phủ. Trong đó, thành phẩm thu được bao gồm bán thành phẩm frit sau khi nấu thủy tinh và làm nguội nhanh cũng như dung dịch phủ sau khi xử lý thủy nhiệt [11] (điều kiện nhiệt độ 120°C, áp suất 15 kG/cm²) để hòa tan bột thủy tinh được trình bày trong Hình 3. Tiến hành một số phép phân tích vật liệu nhằm đánh giá thành phần cấu tạo gồm: phân tích thành phần khoáng dùng phổ nhiễu xạ tia X (XRD), phân tích thành phần liên kết dùng phổ hồng ngoại (FTIR), sử dụng chất chỉ thị theo dõi quá trình phản ứng kết hợp với Ca(OH)₂.

3. Phương pháp thí nghiệm lớp phủ

Phần đế bằng vữa xi măng được chúng tôi chuẩn bị trong phòng thí nghiệm từ cấp phối xi măng:cát:nước = 1:2:0,5 và đổ trong khuôn trụ 100x200mm. Sau khi trải qua quá trình bảo dưỡng phát triển cường độ 28 ngày, các mẫu trụ vữa xi măng được cắt thành từng mẫu đĩa tròn chiều cao 20mm và sấy khô để chuẩn bị dùng làm đế phủ dung dịch liti silicát. Tiếp theo đó, phương pháp phủ quét bằng cọ mềm được áp dụng một cách đơn giản trên bề mặt mẫu đã được làm sạch bụi bẩn. Bề mặt mẫu đĩa được chia thành 4 vùng như Hình 4-trái nhằm để dễ dàng đánh giá, so sánh giữa các vùng với nhau. Tùy theo mức độ thẩm thấu của bề mặt sẽ quyết định số lượng lớp phủ ở đây để thống nhất phủ 2 lớp. Hình 4-phải là ảnh chụp mẫu sau khi dùng cọ quét lớp thứ 2 sau khi đợi lớp đầu tiên khô.
Phương pháp thí nghiệm đánh giá bề mặt lớp phủ được chúng tôi tiến hành gồm đo độ cứng Rockwell, thí nghiệm đánh giá khả năng kháng nước và phân tích ảnh vi cấu trúc (SEM). Ngoài phương pháp phân tích vật liệu SEM thì hai phương pháp còn lại là các thí nghiệm phi tiêu chuẩn. Mục đích thí nghiệm nhằm đối sánh giữa trường hợp bề mặt mẫu được phủ liti silicát và bề mặt xi măng không phủ. Trên cơ sở đó một số thảo luận sẽ được đề cập trong phần tiếp theo đây.