Đánh giá ảnh hưởng sự thay đổi các yếu tố môi trường đến tốc độ cacbonat của vật liệu bê tông xi măng

TS. Ngô Việt Ðức

Trường Ðại học Xây dựng

Người phản biện:

PGS. TS. Hoàng Tùng

PGS. TS. Búi Phú Oanh

TÓM TẮT: Hiện tượng cacbonat làm thay đổi thành phần hóa học của vữa xi măng, giảm độ rỗng, tăng cường độ của vật liệu. Tuy nhiên, quá trình này cũng là một trong những nguyên nhân chính dẫn đến sự ăn mòn của cốt thép trong các kết cấu bê tông cốt thép. Tốc độ cacbonat rất khó dự đoán chính xác, ngoài các thông số về vật liệu, nó còn chịu ảnh hưởng rất lớn từ sự tác động của môi trường, mà đây lại là các thông số thay đổi liên tục theo thời gian. Với mục đích khảo sát, đánh giá chiều sâu cacbonat của bê tông khi chịu các tác động thay đổi của môi trường, nghiên cứu tập trung vào việc tìm và phát triển mô hình tính phù hợp, đưa thêm vào mô hình các thông số khí hậu như nhiệt độ và độ ẩm, phân tích tác động của môi trường lên các thông số mô hình.

TỪ KHÓA: Bê tông xi măng, cacbonat, nhiệt độ, độ ẩm, mô hình, phần tử hữu hạn.

Abstract: Carbonation leads to change chemical composition of mortar cement, reduce porosity and increase strength of materials. However, this process results in reinforcing steel corrosionin concrete structure. Is seems to be difficult to predict exactly carbonation ratewhich is impacted byboth material parameters and natural environment elements. Especially, natural environment elements change over time. The purpose of this study is to investigate and evaluate the depth of carbonation of concrete once they are effectted by environmental changes. In order to obtain this objective, the research focused on finding and developing appropriate models;and then put climate parameterson the models such as temperature and humidity. Finally, the study analyses impacts of evironmental parameters on the model variables.

Keywords: Concrete, carbonation, temperature, humidity, modeling, finite element analysis.

1. ĐẶT VẤN ĐỀ

Cacbonat là một quá trình diễn ra tự nhiên, khí CO2 và nước phản ứng với các hydrat làm thay đổi tính chất các thành phần trong vữa xi măng, biến đổi các chỉ tiêu cơ lý của vật liệu: Độ rỗng giảm; giảm độ pH của dung dịch lỗ rỗng; tăng lượng nước trong vật liệu; thay đổi tính thấm của vật liệu; giảm tốc độ khuyếch tán; làm thay đổi sự phân bố kích thước và sự liên kết giữa các lỗ rỗng của vật liệu [3], [4].

Ngoài yếu tố về vật liệu, tác động trực tiếp của các yếu tố tự nhiên (khí CO2, độ ẩm và nhiệt độ không khí) là những tác nhân tố quyết định tốc độ cacbonat hóa [1, 2, 3, 6]. Với mục đích đơn giản bài toán, phần lớn các mô hình đều coi nhiệt độ và độ ẩm môi trường là không đổi, nhưng giả thiết này lại đưa bài toán ra xa điều kiện làm việc thực tế, đặc biệt là các công trình bê tông cốt thép (BTCT) chịu tác động trực tiếp và liên tục các điều kiện môi trường. Xuất phát từ thực tế này, bài báo muốn phân tích, đánh giá ảnh hưởng sự thay đổi các yếu tố môi trường đến tốc độ cacbonat của bê tông xi măng (BTXM) thông qua mô hình tính được xây dựng theo phương pháp phần tử hữu hạn.

2. HIỆN TƯỢNG CACBONAT CỦA BTXM VÀ CÁC YẾU TỐ ẢNH HƯỞNG

2.1. Quá trình cacbonat vữa xi măng

Với sự có mặt của CO2 và nước, các hydrat trong xi măng bị hòa tan để tạo thành canxi và các hydrat ngậm nước. CO2 ở dạng khí đi vào các lỗ rỗng hở của vật liệu, quá trình cacbonat bắt đầu với sự hòa tan các hydrat, được thể hiện trong các công thức tổng quát sau:

- Quá trình portlandite phản ứng với CO2 tạo thành canxi cacbonat (CaCO3) và nước :

Ca(OH)2 + CO2 CaCO3 + H2O (1)

- Quá trình hydro silicat canxi (CSH) tan trong axít cacbonic (H2CO3) sinh ra do phản ứng giữa CO2 với nước lỗ rỗng tạo thành keo silicat hydrat ngậm nước và giải phóng nước.

CO2 + H2O H2CO3(2)

CxSyHz + xH2CO3 xCaCO3 + ySiO2.tH2O + (x-t+z)H2O(3)

- Sự hòa tan các thành phần khác của xi măng:

Ngoài Ca(OH)2 và CSH, trong thành phần xi măng còn có các hydrat khác như aluminat hydrat canxi (CxAHy), trisulfoaluminates canxi (AFt, ettringite) và monosulfoaluminates canxi (AFm). Những nghiên cứu của Sauman [3] chỉ ra rằng sản phẩm tạo ra từ quá trình cacbonat là CaCO3, nhôm hydroxit, thạch cao và nước.

2.2. Các yếu tố ảnh hưởng đến quá trình cacbonat

2.2.1. Thông số vật liệu

- Tỷ lệ nước/xi măng (N/X): Khi tỷ lệ N/X thấp, lượng hạt xi măng trong một đơn vị thể tích nhiều và gần nhau, làm giảm tổng độ rỗng mao mạch, giảm đường kính lỗ rỗng, bề mặt phản ứng bị thu hẹp, đây là điều kiện không thuận lợi cho quá trình cacbonat [2, 3] (Hình 2.1).

- Hàm lượng xi măng: Sự di chuyển của khí CO2 thông qua hệ thống lỗ rỗng liên thông của bê tông sẽ chậm lại khi hàm lượng xi măng tăng và khi đó chiều sâu lớp vật liệu bị thấm khí cũng giảm (Hình 2.2), đó là do độ chặt của bê tông được cải thiện khi tăng hàm lượng xi măng trong bê tông [3].

2.2.2. Yếu tố môi trường

- Lượng CO2 trong không khí: Chiều sâu cacbonat tăng nhanh trong điều kiện không khí giầu CO2 (Hình 2.3). Ta thấy rằng trong điều kiện không khí có 10% CO2, chiều sâu cacbonat tăng khoảng 3 đến 4 lần so với điều kiện môi trường thông thường (0,03%).

Hình 2.1: Ảnh hưởng của tỷ lệ N/X đến chiều sâu cacbonat của vữa xi măng [6]

Hình 2.2: Quan hệ giữa chiều sâu cacbonat và hàm lượng xi măng [3]

Hình 2.3: Chiều sâu cacbonat trong điều kiện áp suất CO2 khác nhau [3]

- Độ ẩm không khí: Những nghiên cứu được thực hiện với quá trình cacbonat tăng tốc đã chỉ ra rằng tốc độ cacbonat lớn nhất khi ở nhiệt độ 20oC là với độ ẩm từ 50% đến 70% [6]. Độ ẩm thấp hạn chế quá trình hòa tan CO2. Với độ ẩm cao, tốc độ hòa tan CO2 tăng lên, nhưng lượng CO2 trong pha khí lại giảm. Khi các lỗ rỗng của vật liệu bị bão hòa nước, quá trình khuyếch tán CO2 về phía bề mặt pha rắn (nơi xảy ra các phản ứng hóa học) là rất chậm [6].

- Nhiệt độ môi trường: Một mặt, nhiệt độ tăng làm tăng tốc độ các phản ứng hóa học [3]. Mặt khác, nó thúc đẩy quá trình làm khô hệ thống lỗ rỗng, giúp cho CO2 dễ dàng thâm nhập vào sâu trong vật liệu. Tuy vậy, nó cũng làm giảm độ tan và mật độ của CO2 trong pha khí [6]. Những thí nghiệm của JOHN được giới thiệu trong [3] đã xác nhận tác động của nhiệt độ làm tăng chiều sâu cacbonat.

3. THIẾT LẬP MÔ HÌNH TÍNH

Mô hình của Barry và Sellier [1], với giả thiết vật liệu bê tông bao gồm ba pha (lỏng, rắn và khí), các phản ứng hóa học như hòa tan, kết tủa, bay hơi và hóa lỏng đều xảy ra tại bề mặt các pha.

3.1. Các phương trình cơ bản

Mô hình được xây dựng dựa trên ba phương trình cân bằng:

- Phương trình cân bằng lượng nước:

- Phương trình bảo toàn lượng dioxit cacbon:

- Phương trình bảo toàn mật độ ion canxi :

3.2. Sự ảnh hưởng của độ ẩm môi trường đến độ bão hòa của bê tông

Công thức (4) thể hiện sự thay đổi lượng nước trong một đơn vị thể tích của vật liệu, sau một đơn vị thời gian. Mối quan hệ qua lại giữa độ ẩm môi trường và độ bão hòa của vật liệu BTXM đã được xây dựng phụ thuộc vào tính chất của vật liệu [1], thường được thể hiện dưới dạng:

Trong đó: A, B, C, D, a, b, c, d, e là các hệ số phụ thuộc vào vật liệu, ví dụ:

Bảng 3.1. Hệ số thể hiện quan hệ giữa độ ẩm môi trường và độ bão hòa của vật liệu BTXM [1]

3.3. Mối liên hệ giữa nhiệt độ môi trường đến tốc độ cacbonat

Phương trình truyền nhiệt trong vật liệu:

- Hệ số Henry: Hệ số Henry thể hiện mối quan hệ giữa áp suất riêng của khí CO2 trong pha khí và lượng CO2 trong dung dịch lỗ rỗng, sự liên hệ này được thể hiện trong công thức (12) ước tính tốc độ hình thành canxit [1]:

4. CÁC ĐIỀU KIỆN BIÊN THAY ĐỔI: NHIỆT ĐỘ VÀ ĐỘ ẨM

Các thông số biến đổi như nhiệt độ và độ ẩm được đo trong năm 2000:

Hình 4.1: Thông số khí hậu trong năm 2000 ở TP. Toulouse-Pháp [6]

5. GIỚI THIỆU MÔ HÌNH TÍNH

Mô hình được xây dựng theo phương pháp phần tử hữu hạn trong phần mềm mô phỏng Comsol Multiphysics, với mẫu bê tông có kích thước 10 × 10cm, có hai mặt chịu tác động trực tiếp các yếu tố khí hậu, với áp suất khí CO2 là 35Pa đại diện cho điều kiện làm việc ở các thành phố lớn, nhiệt độ và độ ẩm biến thiên lặp lại hàng năm như trong Hình 4.1. Vật liệu BTXM CEMI có các thông số cơ bản: Hàm lượng portlandite 1440 mol/m3; tỷ lệ N/X 0,45; độ rỗng ban đầu ϕ = 0,12; hệ số thấm k0 = 2,1×10-22; hệ số khuyếch tán CO2 DCO2 = 3,84×10-5.

Chiều sâu cacbonat được ước tính thông qua lượng portlandite còn lại trong vật liệu. Các khu vực bê tông đã cacbonat, lượng portlandite còn lại ở đó ít hơn 40% [6].

6. CÁC KẾT QUẢ TÍNH

Để đánh giá ảnh hưởng thay đổi của các yếu tố khí hậu tác động lên quá trình cacbonat của vật liệu BTXM, các tính toán được thực hiện với hai trường hợp có điều kiện biên khác nhau: Các yếu tố khí hậu thay đổi như trong Hình 4.1 và sử dụng giá trị trung bình năm với thời gian tính 50 năm.

Kết quả cho thấy, khi sử dụng các giá trị thực tế của khí hậu, chiều sâu cacbonat tăng khoảng 10% so với trường hợp sử dụng giá trị trung bình (Hình 6.1). Sự chênh lệch này còn phụ thuộc vào tính chất vật liệu, các kết quả giới thiệu trong [6] được tính với nhiều loại bê tông, nhiều kịch bản khí hậu khác nhau cho thấy tỷ lệ này dao động trong khoảng 8% đến 14%.

Hình 6.1: Chiều sâu cacbonat thay đổi theo các dạng khác nhau của điều kiện biên [6]

Sự sai khác có thể được giải thích là do sự tác động không đều của độ ẩm lên tốc độ cacbonat. Tại những thời điểm độ ẩm cao quá hoặc thấp quá, tốc độ cacbonat bị chậm lại. Trong những khoảng thời gian độ ẩm không khí từ 40% đến 80%, tốc độ cacbonat lại tăng cao [3]. Mặt khác, việc độ ẩm môi trường thay đổi liên tục cũng đẩy mạnh quá trình hấp thụ/bay hơi của hơi nước, làm tăng sự hòa tan của CO2, tăng tốc độ cacbonat. Những thuận lợi này không có khi ta sử dụng giá trị trung bình năm của các yếu tố khí hậu, khi đó tốc độ cacbonat sẽ luôn giảm dần theo hàm số mũ đối với thời gian [1].

7. KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ

Bài báo đề xuất một mô hình phần tử hữu hạn dùng để ước tính chiều sâu cacbonat của BTXM có kể đến sự thay đổi của các nhân tố khí hậu, đây là một trong những nhân tố quan trọng quyết định tốc độ cacbonat. Với độ ẩm không khí thấp hoặc khi mẫu bão hòa nước đều hạn chế quá trình cacbonat. Nhiệt độ môi trường, ngoài sự ảnh hưởng đến quá trình hấp thụ/bay hơi làm thay đổi độ bão hòa của vật liệu, còn tác động trực tiếp lên một số thông số về cơ-lý của quá trình hòa tan các hydrat. Các kết quả cho thấy, khi tính đến sự biến đổi của các yếu tố khí hậu, chiều sâu cacbonat tăng khoảng 10%, giá trị này thay đổi phụ thuộc vào loại BTXM.

Nghiên cứu này nhằm mục đích đưa bài toán đến gần hơn các điều kiện thực tế. Đây là công việc rất có ý nghĩa, góp phần vào việc dự báo sự ổn định và tính bền vững của các công trình BTXM chịu tác động trực tiếp các điều kiện khí hậu.

Kí hiệu

Tài liệu tham khảo

[1]. BARY.B (2005), Simulation de la carbonatation des matériaux cimentaires de la barrìere ouvrageé andra en conditions insatureés, RT DPC/SCCME 05-702-A.

[2]. DUVAL (1992), La durabilité des armatures et du béton d’enrobage, dans La durabilité des bétons, Collection de l’ATHIL, Presse de l’Ecole Nationale des Ponts et Chausseés, Paris.

[3]. HYVERT (2009), Application de l’approche probabiliste à la durabilité des produits préfabriques en béton, Thèse de l’Université Paul Sabatier - Toulouse III.

[4]. JAAFAR (2003), Influence de la carbonatation sur la porosité et la permeabilité des bétons, Mémoire de D.E.A, Universite de Marne la Valles.

[5]. NGALA., PAGE (1997), Effects of carbonatation on pore structure and diffusional properties of hydrated cement pastes, Cement and Concrete Research.

[6]. NGO.V.D (2015), Contribution à l’approche probabiliste de la durabilité des stuctures en béton soumise la carbonatation, Thèse de Doctorat de l’Université de Toulouse.