Thông tin chuyên ngành Xi măng Việt Nam

>> Xi măng bền sun phát (P2)

>> Xi măng bền sun phát (P1)

1.2.3. Ăn mòn axit cacbonic :

Sự ăn mòn bê tông của axit cacbonic thuộc về dạng ăn mòn axit. Dạng này phá huỷ phụ thuộc vào nồng độ của H₂CO₃ hoà tan trong nước, hàm lượng của các ion canxi, hydrocacbonat trong nước và đặc trưng của bê tông. Ăn mòn axit cacbonic biểu hiện thành sự hoà tan của cacbonat canxi. Cơ chế tương tác của nước cacbonic với bê tông phụ thuộc vào tốc độ chuyển động và khả năng tiếp xúc của nước với bề mặt của cấu kiện bê tông. Mặc dù, sự hoà tan CO₂ trong nước là dung dịch axit, sự tương tác của nó lên bê tông khác với sự ăn mòn axit bình thường.

Ở giai đoạn đầu, khi nước chứa CO₂ tác dụng lên bê tông, Ca(OH)₂ tương tác với CO₂ tạo thành CaCO₃ không hoà tan mà trầm lắng trong các lỗ xốp của đá xi măng làm chặt bê tông. Ở giai đoạn tiếp theo, phần mới của CO₂ tương tác lên CaCO₃  và tạo thành hydrocacbonat mà bị nước rửa trôi theo phản ứng: 

CaCO₃  + CO₂  + H₂O  = Ca(HCO₃)₂

Vì vậy, trong quá trình lọc lâu dài nước chứa CO₂ qua bê tông nặng, bê tông cuối cùng bị phá huỷ dần theo từng lớp. Trong khi ở các lớp sâu hơn xảy ra sự làm chặt thì ở lớp bên ngoài bắt đầu sự phá huỷ. Nhưng không phải tất cả CO₂ có trong nước đều là chất xâm thực. Trong nước luôn có một số lượng xác định hydrocacbonat canxi hoặc magiê để giữ vững số lượng xác định CO₂ cần thiết tạo ra sự cân bằng và không gây ra tác dụng phá huỷ. CO₂ vượt trên số lượng này sẽ phản ứng với CaCO₃ gây ra sự rửa trôi của vôi, phần đã phản ứng của CO₂ gây ra sự xâm thực. Để ổn định Ca(HCO₃)₂ được tạo thành cần thiết phải có CO₂ cân bằng. Độ cứng hiện thời của nước càng lớn thì CO2 cân bằng có thể có trong dung dịch càng lớn và CO₂ xâm thực càng nhỏ.

Bê tông bền sun phát giảm thiểu nguy cơ bị tấn công bởi các yếu tố xâm thực cho bê tông và cốt thép.

Hàm lượng CO₂ tự do trong dung dịch cần thiết để ổn định hydrocacbonat canxi tăng lên khi có mặt các muối canxi khác và giảm đi khi có mặt các muối natri. Số lượng CO₂ xâm thực được xác định theo các biểu đồ đặc biệt hoặc bằng thực nghiệm. Nói đúng hơn là CO₂ xâm thực chỉ có mặt trong các nước sạch.

Theo các số liệu của I.E. Orlov, tác dụng xâm thực tăng tỷ lệ với bình phương nồng độ CO₂ xâm thực. Bền nhất trong nước cacbonic là xi măng nhôm và xi măng puzolan. Nhằm ngăn ngừa sự ăn mòn axit cacbonic, xung quanh các cấu trúc bê tông người ta đã đổ đầy đá cacbonat để góp phần làm giảm độ xâm thực của nước khi nó lọc qua các vật liệu này, khi đưa vào bê tông khoảng 25% khối lượng đá vôi nghiền mịn sẽ làm giảm sự xâm thực axit cacbonic.

Ăn mòn axit cacbonic tăng lên khi có mặt sun phat natri và kali, gây ảnh hưởng xúc tác lên phản ứng cacbonat hoá.

1.2.4. Ăn mòn sun phát:

Nếu đất chứa sunphát canxi, magiê và các kim loại kiềm thì nước ngầm là dung dịch sunphát. Sunphát tham gia vào phản ứng với hydrôxit và hydro aluminat canxi cấu thành bê tông. Các sản phẩm của sự tương tác khác biệt bởi thể tích tương đối lớn so với các chất ban đầu và vì vậy gây ra sự biến dạng của các đơn vị cấu trúc và sự phá huỷ của bê tông.

Ăn mòn sun phát xảy ra trong đá xi măng dưới tác dụng của các ion SO₄^2- liên kết với các ion như Na⁺ và Ca²⁺. Biến thể của ăn mòn sun phát là ăn mòn sunfoaluminat và ăn mòn thạch cao.

a. Ăn mòn sunfoaluminat:

Ăn mòn sunfoaluminat xuất hiện trong các nước chứa lớn hơn 250mg/l ion SO₄^2-. Khi đó Ca(OH)₂ phản phản ứng với SO₄^2- tạo thành thạch cao theo phản ứng:

Ca(OH)₂ + Na₂SO₄ + 2H₂O = CaSO₄.2H₂O + 2NaOH

Thạch cao đến lượt mình lại tham gia vào sự tương tác với aluminat canxi độ bazơ cao theo phản ứng:

3CaO.Al₂O₃.6H₂O + 3(CaSO₄.2H₂O) + 19H₂O = 3CaO.Al₂O₃.3CaSO₄.31H₂O

Do sự tạo thành ettringit ít hoà tan từ C₃AH₆, thể tích ban đầu tăng lên khoảng 4,76 lần làm xuất hiện ứng suất bên trong gây ra sự xuất hiện các vết nứt và sự phá huỷ. Ettringit chỉ được tạo thành khi nồng độ Ca(OH)₂ vượt quá 0,46g/l (tính chuyển thành CaO) có nghĩa là khi các aluminat tồn tại dưới dạng C₃A và C₄AF. Nếu nồng độ Ca(OH)₂ trong dung dịch không đáng kể (khi pha thêm các phụ gia thuỷ lực vào xi măng) thì ettringit không được tạo thành. Vì vậy xi măng poóc lăng puzolan là xi măng bền trong môi trường nước sun phát hơn so với xi măng poóc lăng thường. Các bê tông làm từ xi măng puzolan không bị phá huỷ trong nước với nồng độ của muối Na₂SO₄, CaSO₄ hoặc MgSO₄đến 0,5%.

Khi hàm lượng của các ion SO₄^2- trong nước lớn hơn 1000mg/l xảy ra chủ yếu là sự ăn mòn thạch cao do sự lắng đọng của thạch cao trong các mao quản của đá xi măng. Các sun phát của các kim loại kiềm không phá huỷ các hydrosilicat canxi ở mức độ rõ rệt. Độ bền sun phát tăng mạnh mẽ khi gia công autoclave các chi tiết từ bê tông vì khi đó tạo thành các hydrosilicat ít hoà tan CSH(B) và các hydrogranat bền sun phát 3CaO.(Al,Fe)₂O₃.xSiO₂.(6 - 2x)H₂O.

Người ta đã nói rằng nguyên nhân chủ yếu của sự phá huỷ khi ăn mòn sun phát không chỉ do lực vật lý của sự kết tinh mà 1 phần còn do lực thẩm thấu, liên quan tới sự co và trương phồng của các aluminat trong xi măng. Do vậy, độ bền sun phát có thể tăng lên bằng cách giảm áp suất thẩm thấu của chất lỏng trong các lỗ xốp bằng cách liên kết số lượng vôi tối đa trong giai đoạn hydrat hoá ban đầu. Các dung dịch sun phát nhôm và amôn gây ra tác dụng tương tự như đã khảo sát. Hàm lượng của các ion SO₄^2- có tính đến hàm lượng các ion Cl^- là đặc trưng định lượng của độ xâm thực của môi trường khi xâm thực sun phát.

Sự thay đổi thành phần khoáng của xi măng theo hướng giảm hàm lượng C₃S, C₃A và giữa hàm lượng C₄AF ở mức vừa phải là các phương pháp hiệu quả để ngăn ngừa sự ăn mòn sunfoaluminat và thạch cao. Nếu bê tông không phải chịu sự đông lạnh và tan băng luân phiên thì tốt hơn là sử dụng xi măng xỉ và xi măng puzolan.

b. Ăn mòn magiê và magiê sun phát:

Trong nước biển, ngoài NaCl, còn có hàng loạt các muối khác. Trong nước đại dương trên thế giới chứa trung bình: NaCl 27,2 g/l; MgCl₂ 3,8 g/l; MgSO₄ 1,7g/l; CaSO₄ 1,2 g/l. Muối magiê cũng có trong các nước ngầm, ví dụ như ở Trung Á và Cadacxtan.

Tác dụng của muối magiê lên bê tông không chỉ phụ thuộc vào các cation mà cả vào các anion. Nếu trong nước hoà tan một muối nào đó của magiê (không kể MgSO₄) sẽ xảy ra hiện tượng ăn mòn magiê. Khi đó, magiê tham gia vào quá trình tương tác với Ca(OH)₂ tạo thành các muối canxi hoà tan bị nước rửa trôi và Mg(OH)₂ hoà tan kém lắng đọng dưới dạng khối xốp vô định hình, ví dụ:

Ca(OH)₂ + MgCl₂ = CaCl₂ + Mg(OH)₂

Các dung dịch muối magiê sẽ xâm thực nếu trong chúng chứa nhiều hơn 500mg/l ion Mg²⁺. Nhưng muối MgSO₄ tác dụng lên xi măng mạnh nhất gây ra ăn mòn magiê - sun phát. Khác với Na₂SO₄, nó không những phản ứng với Ca(OH)₂ và hydroaluminat mà còn phản ứng với cả hydrosilicat. Độ hoà tan rất thấp của Mg(OH)₂ và tiếp theo là của Ca(OH)₂ ở giá trị pH < 10,5 là nguyên nhân của phản ứng. Sau cùng, ở pH như thế, các hydroaluminat và hydrosilicat bắt đầu bị phân huỷ với sự tạo thành Ca(OH)2 mà tham gia vào quá trình tương tác với MgSO₄.Mg(OH)₂ lại một lần nữa được tạo thành và dẫn đến sự hoà tan tiếp theo của các hydrosilicat. Theo V.N. Iung, phản ứng giữa MgSO₄ và các hợp chất hydrat hoá của xi măng có thể miêu tả theo sơ đồ như sau:

Ca(OH)₂ + MgSO₄ + 2H₂O = CaSO₄.2H₂O + Mg(OH)₂

3CaO.Al₂O₃.6H₂O + 3MgSO₄ + 6H2O = 3(CaSO₄.2H₂O) + 2Al(OH)₃ + 3Mg(OH)₂

3CaO.2SiO₂.3H₂O + 3MgSO₄ + nH2O = 3(CaSO₄.2H₂O) + 2SiO₂.nH₂O + 3Mg(OH)₂

Ăn mòn magiê - sun phát mạnh hơn đáng kể so với ăn mòn đơn thuần sun phát hoặc đơn thuần magiê. Vì vậy, khi có mặt đồng thời các ion Mg²⁺ và SO₄^2- thì giới hạn nồng độ cho phép của chúng bị giảm xuống.

Ngoài sun phát magiê, tác dụng xâm thực tương tự chỉ ra ở các sun phát của các kim loại như Al, Zn. Sun phát amôn [(NH)₂SO₄] còn phá huỷ bê tông mạnh hơn. Điều này là do Mg(OH)₂, Al(OH)₃, Zn(OH)₂ bị lắng đọng trong các lỗ của đá xi măng, bịt kín các mao quản và làm chậm sự thẩm thấu tiếp theo của dung dịch xâm thực còn NH₄OH lại hoà tan tốt trong nước mặc dù phân ly yếu, vì vậy nó tự rửa trôi làm cho pH giảm rõ rệt. Nếu như bê tông làm từ xi măng xỉ bền sun phát đạt được độ bền chống lại sự tác dụng của dung dịch 2% MgSO₄ thì sự phá huỷ của nó đã xảy ra ngay dưới tác dụng của dung dịch 0,5% (NH4)₂SO₄.

Giải pháp tin cậy để tăng độ bền của bê tông đối với sự xâm thực sun phát và magie là giảm hàm lượng trong đá xi măng của các thành phần có khả năng tương tác với các cấu tử của môi trường phá huỷ. Ví dụ, việc giảm hàm lượng của các khoáng chứa nhôm (C₃A đến 5%) sẽ nhận được xi măng bền sun phát.

Hàm lượng C₃S cũng cần được quy định vì khi xảy ra hydrat hoá sẽ tạo ra Ca(OH)₂ tự do. Mật độ của bê tông tăng lên, độ chống thấm của nó đạt đến độ đặc chắc của bê tông là các yếu tố quan trọng (trong số này kết cấu lắp ghép có ý nghĩa lớn).

(Còn nữa)

Quỳnh Trang (Theo TTKHKT Xi măng số 1 năm 2015)