Tìm hiểu về hiện tượng ăn mòn đá xi măng

Tìm hiểu khái quát về đá xi măng

Đá xi măng là thành phần chính giúp xác định các tính chất độ bền của bê tông. Thành phần cơ bản của cấu trúc vi mô của đá xi măng là canxi hydro silicat tạo nên cấu trúc không gian xác định.

Cấu trúc này gồm phần hạt xi măng chưa thủy hóa với lớp vỏ của sản phẩm mới tạo thành ở dạng hệ globulin. 

Cấu trúc của canxi Hydro silicat là tinh thể và bán tinh thể hoặc vô định hình. Các sản phẩm tinh thể sẽ có các kích thước khác nhau và thường xuất hiện khi gia nhiệt đặc biệt bằng avtoclav, khi tạo thành tinh thể của các sản phẩm mới tạo thành và ở khoảng không giữa các hạt và lỗ rỗng. 

Đá xi măng chứa các đoạn có cấu trúc khác nhau được cấu thành từ các khoáng khác nhau. Cấu tạo của đá xi măng khác biệt bởi sự đa dạng, phức tạp và không đồng nhất về cấu tạo.

Cấu trúc vi mô và không đồng nhất của đá xi măng sẽ có ảnh hưởng đáng kể đến cường độ và các tính chất khác nhau của đá. Các tính chất của đá xi măng sẽ phụ thuộc vào thành phần khoáng của chúng.

Khi thay đổi thành phần khoáng của chất kết dính và điều kiện đóng rắn thì có thể nhận được các dạng cấu trúc vi mô khác nhau của đá xi măng như: tổ ong, hạt, sợi tóc,... 

Hiện tượng ăn mòn đá xi măng

Đá xi măng bị ăn mòn chủ yếu là do sự tác động của các chất khí và chất lỏng lên các bộ phận cấu thành xi măng đã rắn chắc (chủ yếu là Ca(OH)2 và 3CaO.Al2O3.6H2O).

Trong thực tế, có tới hàng chục chất gây ra hiện tượng ăn mòn đá xi măng và được phân thành 3 nguyên nhân cơ bản sau đây:

• Sự phân rã các thành phần của đá xi măng, sự hòa tan và rửa trôi hiđroxit canxi;

• Tạo thành các muối dễ tan do hiđroxit canxi và những thành phần khác của đá xi măng tác dụng với các chất ăn mòn và sự rửa trôi các muối (ăn mòn axit, ăn mòn manhêzit);

• Sự hình thành những liên kết mới trong các lỗ rỗng có thể tích lớn hơn thể tích của các chất tham gia phản ứng từ đó tạo ra ứng suất gây nứt bê tông (ăn mòn sunphonat).

Ăn mòn đá xi măng xảy ra trong cả 3 môi trường sử dụng:

• Ăn mòn trong môi trường lỏng xảy ra khi đá xi măng tiếp xúc với nước, nước biển, nước phèn chua, nước khoáng, nước ngầm hoặc nước thải trong nhà máy và xí nghiệp công nghiệp….

• Ăn mòn trong môi trường rắn xảy ra khi đá xi măng tiếp xúc với một số loại hóa chất như phân khoáng, thuốc trừ sâu,... Tuy nhiên, hiện tượng ăn mòn trong môi trường này chỉ diễn ra khi các hóa chất bị ẩm.

• Ăn mòn trong môi trường khí xảy ra khi đá xi măng tiếp xúc trực tiếp với các loại khí có chứa tác nhân gây ăn mòn.

Các dạng ăn mòn đá xi măng

Năm 1952, V.Moskvin đã đề ra phương pháp phân loại các dạng ăn mòn đá xi măng cơ bản. Trên cơ sở của các số liệu thực nghiệm và kinh nghiệm tích lũy được thì người ta phân chia các quá trình ăn mòn xảy ra trong đá xi măng hay bê tông thành ba dạng cơ bản với các nguyên nhân chính khác nhau.

Và trong ba dạng ăn mòn đá xi măng thì dạng ăn mòn loại 1 là nguy hiểm nhất trong các kết cấu thành mỏng làm việc dưới áp lực của nước. Khi đó, các thành phần của đá xi măng có thể sẽ bị nước hòa tan và cuốn trôi.

Ăn mòn đá xi măng dạng thứ nhất

Ăn mòn đá xi măng ở dạng khử Ca(OH)2 xảy ra mạnh dưới sự tác dụng của nước mềm (chứa ít các chất tan) như nước cấp tuần hoàn, nước ngưng tụ, nước mưa, nước sông miền núi, nước sông ở đồng bằng vào mùa lũ và nước đầm lầy.

Sau 3 tháng rắn chắc thì hàm lượng Ca(OH)2 sẽ vào khoảng 10 - 15% (tính theo CaO). Sau khi rửa trôi mà nồng độ CaO giảm xuống thấp hơn 1,1 g/1 thì CSH và C3AH6 cũng sẽ bắt đầu bị phân hủy. Khi Ca(OH)2 bị rửa trôi từ 15 – 30% tổng hàm lượng của nó trong đá xi măng thì cường độ của đá sẽ giảm 40 – 50% hoặc nhiều hơn nữa. Sự khử Ca(OH)2 có thể dễ dàng nhận thấy khi những vết trắng xuất hiện trên bề mặt bê tông.

Ăn mòn đá xi măng dạng thứ hai

Ăn mòn đá xi măng bởi axit

Ăn mòn đá xi măng của axit cacbonic được tăng cường dưới sự tác động của nước chứa C02 tự do ở dạng axit yếu. Lượng C02 tăng hơn mức bình thường là 15-20 mg/1 sẽ phá hủy lớp màng CaC03 trên bề mặt bê tông để hình thành bicacbonat axit canxi dễ tan có phương trình hóa học là:

CaC03 + (C02)td + H20 Ệ Ca(HC03)2

Ăn mòn đá xi măng bởi axit nói chung xảy ra trong dung dịch axit có độ pH < 7. Axit tự do thường có trong nước thải công nghiệp hoặc cũng có thể hình thành từ khí chứa lưu huỳnh trong các buồng đốt. Trong không gian của các xí nghiệp công nghiệp, ngoài S02 còn có thể có các anhiđrit của các axit khác, clo và các hợp chất chứa clo.

Khi chúng hòa tan vào nước và bám lên trên bề mặt các kết cấu bê tông cốt thép thì sẽ tạo nên các axit như HC1, H2S04. Axit tác dụng với Ca(OH)2 trong đá xi măng sẽ tạo ra những muối tan (CaCl2) hay muối tăng thể tích (CaS04.2H20). Điều này được thể hiện qua các phương trình hóa học sau:

HCl I Ca(OH)21 CaCl2 + 2H20

H2S04 + Ca(OH)2 = CaS04.2H20

Ngoài ra, axit còn có thể phá hủy cả silicat canxi.

Ăn mòn đá xi măng bởi muối magie

Ăn mòn magie gây ra do các muối chứa magie trong nước biển, nước ngầm, nước chứa muối khoáng tác dụng với Ca(OH)2 tạo ra các sản phẩm dễ tan (CaCl2, CaS04.2H20) hoặc không có khả năng dính kết (Mg(OH)2) :

Xâm thực phân khoáng do nitrat amon gây nên có phương trình hóa học là: 

2NH4NO3 + Ca(OH)2 + 2H20 = Ca(N03)2.4H20 + 2NH3

Nitrat canxi tan rất tốt trong nước nên rất dễ dàng bị rửa trôi. Phân kali gây ra hiện tượng ăn mòn đá xi măng là do làm tăng độ hòa tan của Ca(OH)2. Supephotphat là một chất ăn mòn mạnh do trong thành phần của nó có chứa Ca(H2P04)2, thạch cao và cả axit photphoric.

Ăn mòn của các chất hữu cơ: Các loại axit hữu cơ cũng có thể gây phá hủy các công trình bê tông xi măng. Các axit béo (olein, Stearin, panmitin) khi tác dụng với vôi sẽ gây ra hiện tượng rửa trôi. 

Ăn mòn đá xi măng dạng thứ ba

Sự ăn mòn đá xi măng bởi sunfat

Sự ăn mòn đá xi măng bởi sunfat xảy ra khi hàm lượng sunfat lớn hơn 250 mg/1 (tính theo SO4) thể hiện qua phương trình hóa học:

3CaO.Al2O3.6H2O + 3CaS04 + 25H20 = 3Ca0.Al203.3CaS04.31H20

Sự hình thành trong lỗ rỗng xi măng sản phẩm ettringite ít tan với sự tăng thể tích hơn 2 lần sẽ gây áp lực làm tách lớp bê tông bảo vệ và khiến cốt thép bị ăn mòn.

Những công trình ven biển, công trình tiếp xúc với nước thải công nghiệp và nước ngầm sẽ luôn diễn ra sự xâm thực sunfat. Vậy nên trong nước có chứa Na2S04 thì đầu tiên sẽ tác dụng với vôi, sau đó mới hình thành ettringite thể hiện qua phương trình hóa học sau:

Na2S04 + Ca(OH)2— CaS04 + 2NaOH

Sự ăn mòn đá xi măng bởi kiềm

Sự ăn mòn đá xi măng bởi kiềm sẽ xảy ra ở 2 dạng: do sự tác dụng của dung dịch kiềm đậm đặc lên đá xi măng và dưới ảnh hưởng của kiềm có trong xi măng. Nếu bê tông bão hòa dung dịch kiềm (kiềm natri hoặc kali) rồi sau đó bị sấy khô thì dưới ảnh hưởng của C02 trong các lỗ rỗng bê tông sẽ hình thành Na2C03 và K2C03. Khi chúng kết tinh sẽ nở ra và gây phá hủy đá xi măng. 

Sự xâm thực kiềm có trong đá xi măng sẽ xảy ra ngay trong lòng khối bê tông giữa các cấu tử với nhau. Bản thân clanhke luôn chứa một lượng các chất kiềm trong khi cốt liệu bê tông, đặc biệt là trong cát lại hay gặp hợp chất silic vô định hình (opan, canxedon, thủy tinh núi lửa).

Vì vậy, chúng có thể tác dụng với kiềm của xi măng ở ngay nhiệt độ thường làm cho bề mặt các hạt cốt liệu nở ra tạo ra một hệ thống vết nứt, bạc màu. 

Biện pháp phòng chống hiện tượng ăn mòn đá xi măng

Để hạn chế ăn mòn do khử Ca(OH)2, người ta thường giảm hàm lượng C3S trong clanhke xuống dưới 50%. Nhưng biện pháp chủ yếu vẫn là dùng phụ gia khoáng hoạt tính và chế tạo loại bê tông có độ đặc cao. 

Quá trình khử kiềm cũng có thể được làm chậm lại bằng cách tạo ra sản phẩm CaC03 ít tan (sản phẩm cacbonat hóa Ca(OH)2 với sự tham gia của C02 của không khí) trên bề mặt kết cấu bê tông.

Việc giữ bê tông trong nền móng công trình, đặc biệt là các công trình cảng và các công trình thủy công khác trong không khí công cũng có tác dụng tăng cường độ bền vững của chúng.

Việc phòng tránh đá xi măng hay bê tông tiếp xúc với dung dịch kiềm cũng vô cùng quan trọng. Không nên đổ chất kiềm lên bề mặt đá xi măng, bê tông để đảm bảo cho đá xi măng, bê tông không bị các chất hóa học phá hủy.

Để chống xâm thực sunfat tại những công trình xây dựng ở môi truonhwf nước biển, người ta thường dùng xi măng pooclăng bền sunfat đặc biệt hoặc xi măng puzolan,...

Ngoài ra, bạn cũng có thể cách ly cấu kiện đá xi măng, bê tông với môi trường bằng cách sơn hoặc bọc paraphin,... Hoặc sử dụng các loại phụ gia bảo quản xi măng như dầu lạc để tạo màng bao bọc bảo vệ đá xi măng.

Lời kết

Ăn mòn đá xi măng là một hiện tượng khó tránh khỏi. Chính vì vậy, việc tìm ra các phương án bảo vệ loại vật liệu này tránh khỏi sự ăn mòn một cách hiệu quả nhất trước khi thiết kế và thi công là việc rất quan trọng để có thể đảm bảo chất lượng và tuổi thọ của các công trình.