» Một công trình nghiên cứu tại phòng thí nghiệm Vật liệu Bức xạ (LSI) thuộc Trường Bách khoa Quốc gia Pháp (École Polytechnique) vừa giành được Giải thưởng Brunauer do Hiệp hội Gốm sứ Hoa Kỳ trao tặng. Nhóm nghiên cứu đã xác định và nghiên cứu chuyên sâu một khoáng chất có trong xi măng, làm rõ vai trò của nó trong hiện tượng bê tông bị ăn mòn khi tiếp xúc với môi trường chứa sunfat là vấn đề nghiêm trọng ảnh hưởng trực tiếp đến độ bền và tuổi thọ của công trình xây dựng.
Hiện tượng nứt vỡ bê tông do tiếp xúc với môi trường giàu sunfat là một trong những nguyên nhân hàng đầu gây hư hỏng sớm cho các công trình dân dụng và công nghiệp. Tại các khu vực có đất giàu thạch cao hoặc gần biển, vấn đề này càng trở nên cấp thiết. Bài viết dưới đây cung cấp cái nhìn chi tiết về nguyên nhân gốc rễ và hướng ứng dụng từ nghiên cứu đoạt giải thưởng quốc tế, mang lại giải pháp tiềm năng cho ngành Xi măng.
Bê tông và mối nguy từ ion sunfat
Bê tông là vật liệu xây dựng phổ biến, có lịch sử sử dụng từ thời cổ đại. Tuy nhiên, nó không tránh khỏi các rủi ro khi hoạt động trong môi trường khắc nghiệt. Tại các khu vực gần biển hoặc nơi đất giàu thạch cao như lưu vực Paris hay dãy Alps ở Pháp, ion sunfat từ đất hoặc nước biển có thể thấm qua lỗ rỗng của bê tông, gây ra các phản ứng hóa học khiến vật liệu dễ bị ăn mòn. Đây là nguyên nhân làm suy giảm nghiêm trọng độ bền và tuổi thọ của công trình.
Để hạn chế ảnh hưởng của hiện tượng này, ngành Xi măng đã phát triển các loại xi măng bền sunfat bằng cách kiểm soát thành phần khoáng. Trong xi măng, khoáng chất tricalcium aluminate (C₃A) rất dễ phản ứng với ion sunfat, nên thường được giảm tối đa trong các loại xi măng chuyên dùng để chống sunfat. Tuy vậy, thực tế cho thấy bê tông vẫn bị hư hại dù đã dùng những công thức xi măng được coi là tối ưu. Trước tình trạng này, các nhà nghiên cứu tại LSI bắt đầu chú ý đến một thành phần khác ít được quan tâm trước đây là canxi ferrite (C₄AF).
Vai trò của canxi ferrite trong phản ứng với sunfat
Xi măng gồm 4 thành phần khoáng chính: 2 loại silicat canxi và 2 loại aluminat canxi (tricalcium aluminate và canxi ferrite). Trong nghiên cứu mới, các nhà khoa học tại LSI đã tập trung phân tích vai trò của canxi ferrite trong quá trình ăn mòn bê tông.
Hình ảnh kính hiển vi quang học của xi măng thích nghi với môi trường sunfat, tinh thể ferit là nhỏ nhất (độ tương phản sáng nhất).
Một trong những thách thức đầu tiên là tách riêng được khoáng chất này ra khỏi các thành phần khoáng khác trong xi măng. Trong khuôn khổ Luận án Tiến sĩ của Alexis Mériot, nhóm nghiên cứu đã phát triển một phương pháp hòa tan chọn lọc gồm hai bước nhằm loại bỏ các khoáng chất không mong muốn. Phương pháp này cho phép tách riêng được các tinh thể canxi ferrite kích thước micromet, vốn thường bị lẫn với các thành phần khoáng khác trong xi măng và rất khó phân tích nếu không tách riêng được.
Tiếp theo, cấu trúc tinh thể của canxi ferrite được phân tích chi tiết bằng máy nhiễu xạ tia X tại nền tảng DIFFRAX (École Polytechnique), kết hợp với kỹ thuật vi phân tích đầu dò điện tử để xác định chính xác thành phần nguyên tử. Kết quả phân tích trên 4 loại xi măng bền sunfat do các nhà sản xuất cung cấp cho thấy có 2 nhóm ferrite khác nhau về thành phần cấu trúc. Mỗi nhóm có mức độ phản ứng khác nhau với ion sunfat. Điều này lý giải vì sao một số loại xi măng vẫn xảy ra hiện tượng nứt vỡ dù đáp ứng các tiêu chuẩn kỹ thuật hiện hành.
Ứng dụng thực tiễn cho ngành Xi măng
Phản ứng của bê tông với sunfat không chỉ phụ thuộc vào loại xi măng mà còn bị chi phối bởi điều kiện môi trường nơi công trình hoạt động. Tuy nhiên, nghiên cứu cho thấy việc kiểm soát thành phần và cấu trúc của canxi ferrite trong xi măng có thể giúp giảm thiểu rủi ro một cách hiệu quả.
Các phương pháp phân tích bằng tia X mà nhóm nghiên cứu LSI sử dụng hoàn toàn có thể áp dụng tại các nhà máy để giám sát và điều chỉnh thành phần khoáng trong quá trình sản xuất. Điều này mở ra khả năng cập nhật các tiêu chuẩn kỹ thuật xi măng trong tương lai gần.
Bà Marie-Noëlle de Noirfontaine, một trong những nhà nghiên cứu chính tại LSI nhấn mạnh, nghiên cứu cơ bản không chỉ là lý thuyết mà còn mang lại giá trị thiết thực cho sản xuất công nghiệp. Kết quả thu được từ phòng thí nghiệm là minh chứng rõ ràng cho cách khoa học có thể góp phần giải quyết các vấn đề kỹ thuật phức tạp trong ngành Vật liệu xây dựng hiện đại.
Cem.Info
