Ảnh hưởng của thành phần hoạt hóa đến cường độ chịu uốn và kéo gián tiếp của bê tông Geopolymer

Nội dung text: Ảnh hưởng của thành phần hoạt hóa đến cường độ chịu uốn và kéo gián tiếp của bê tông Geopolymer

1. VẬT LIỆU XÂY DỰNG – MÔI TRƯỜNG ẢNH HƯỞNG CỦA THÀNH PHẦN HOẠT HÓA ĐẾN CƯỜNG ĐỘ CHỊU UỐN VÀ KÉO GIÁN TIẾP CỦA BÊ TÔNG GEOPOLYMER TS. PHAN ĐỨC HÙNG Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật TP. Hồ Chí Minh TS. LÊ ANH TUẤN Trường Đại học Bách khoa TP. Hồ Chí Minh Tóm tắt: Nghiên cứu ảnh hưởng của thành phần nghiên cứu trước đây đã xây dựng quá trình hoạt hóa dung dịch hoạt hóa đến bê tông geopolymer bằng của chuỗi polymer được tổng hợp các silicon hoạt cách thay đổi tỷ lệ sodium silicate – sodium hydroxide. tính từ vật liệu vô cơ tự nhiên. Nghiên cứu của Joshi Tỷ lệ dung dịch hoạt hóa – tro bay được sử dụng là và Kadu [4] đã đưa ra vai trò của dung dịch hoạt hóa 0.4, 0.5 và 0.6 theo khối lượng. Trong dung dịch hoạt đến cường độ chịu nén của vật liệu geopolymer. hóa, tỷ lệ sodium silicate – sodium hydroxide là 1, 2 Đồng thời, các nghiên cứu cũng đánh giá vai trò của 0 và 2.5. Mẫu được dưỡng hộ ở 60 C trong thời gian 4, SiO2 và Al2O3 đến tính chất cường độ chịu nén của 6, 8 và 10 giờ. Kết quả nghiên cứu cho thấy tỷ lệ dung vữa và bê tông geopolymer [5-6]. Bên cạnh đó, sự dịch hoạt hóa – tro bay và tỷ lệ sodium silicate – thay đổi trong thành phần sodium silicate và sodium sodium hydroxide càng lớn thì cường độ chịu uốn và hydroxide trong dung dịch hoạt hóa cũng ảnh hưởng chịu kéo gián tiếp của bê tông geopolymer càng tăng. đến tính chất cường độ chịu nén của geopolymer. Khi thời gian dưỡng hộ tăng lên cũng làm tăng cường Đồng thời, ảnh hưởng của thành phần hoạt hóa đến độ uốn và kéo do quá trình hoạt hóa diễn ra triệt để. các tính chất khác của vật liệu polymer cũng cần được xem xét. Từ khóa: Sodium silicate, sodium hydroxide, cường độ chịu uốn, cường độ chịu kéo gián tiếp, bê Bài báo nghiên cứu xác định ảnh hưởng của các tông geopolymer. yếu tố dung dịch hoạt hóa, thành phần tro bay, điều kiện dưỡng hộ đến tính chất đặc tính chịu uốn và kéo 1. Đặt vấn đề gián tiếp của bê tông geopolymer. Trên cơ sở đó, xác Vật liệu geopolymer được hình thành do quá trình định ảnh hưởng của quá trình geopolymer hóa đến hoạt hóa giữa vật liệu alumino – silicate trong môi khả năng chịu kéo, uốn của bê tông. trường dung dịch chứa kiềm. Trong đó vật liệu 2. Nguyên vật liệu và phương pháp thí nghiệm alumino – silicate chứa các thành phần hoạt tính silicon và aluminum có trong tro bay, meta cao lanh, xỉ 2.1 Nguyên vật liệu lò cao, tro trấu. Quá trình phản ứng trong môi trường a. Tro bay hoạt hóa sẽ tạo các chuỗi Si-O-Si làm cho vật liệu có cường độ và bền vững theo thời gian [1-3]. Tro bay sử dụng loại F theo tiêu chuẩn ASTM C618, khối lượng riêng 2500 kg/m3, độ mịn 94% Geopolymer được coi là một phần trong lĩnh vực lượng lọt qua sàng 0.08 mm. Thành phần hóa học vật liệu, có các tính chất như vật liệu polymer. Nhiều được trình bày trong bảng 1. Bảng 1. Thành phần hóa học của tro bay Thành phần K2O + SiO2 Al2O3 Fe2O3 CaO MgO SO3 MKN(*) hoá học Na2O % khối lượng 51,7 31,9 3,48 1,21 1,02 0,81 0,25 9,63 (*) MKN : mất khi nung b. Dung dịch hoạt hóa là 18mol/l. Dung dịch sodium silicate sử dụng với hàm lượng Na O và SiO dao động từ 36% đến 38%, tỷ Dung dịch hoạt hóa là sự kết hợp giữa sodium 2 2 trọng 1.42 0.01 g/ml. hydroxide và sodium silicate. Dung dịch sodium hydroxide được pha chế từ tinh thể rắn độ tinh khiết trên 90%, khối lượng riêng 2130 kg/m3 và có nồng độ 34 Tạp chí KHCN Xây dựng - số 3/2015
2. VẬT LIỆU XÂY DỰNG – MÔI TRƯỜNG c. Cốt liệu 2.2 Cấp phối Cát dùng được sử dụng là cát sông, modun độ Cấp phối bê tông Geopolymer sử dụng có sử lớn 2.16, cỡ hạt trung bình. Cát được làm sạch và sấy dụng tro bay 420 kg, tỷ lệ dung dịch hoạt hóa - tro bay khô trước khi đưa vào nhào trộn. (DD/TB) là 0.4, 0.5 và 0.6; tỷ lệ giữa sodium silicate - sodium hydroxide (SS/SH) thay đổi. Thành phần cấp Đá dăm có Dmax là 20 mm, khối lượng riêng phối trình bày trong bảng 2. 2730 kg/m3, khối lượng thể tích 1450 kg/m3. Bảng 2. Cấp phối bê tông geopolymer (kg/m3) Ký hiệu Đá (kg) Cát (kg) Tro bay (kg) DD/TB SS/SH A1 1080 710 420 0.6 2.5 A2 1080 735 420 0.5 2.5 A3 1080 760 420 0.4 2.5 A1B1 1080 710 420 0.6 2 A1B2 1080 710 420 0.6 1 2.3 Phương pháp thí nghiệm b. Dưỡng hộ mẫu a. Nhào trộn và đúc mẫu Sau khi tạo hình, các mẫu được dưỡng hộ tĩnh o Nhào trộn khô các thành phần nguyên liệu sau khi định trong 24 giờ và tiến hành dưỡng hộ nhiệt ở 60 C định lượng như đá, cát, tro bay trong vòng 2 phút trong 4, 6, 8 và 10 giờ. Các thí nghiệm xác định bằng máy trộn. Hỗn hợp dung dịch hoạt hóa bao gồm cường độ được xác định ở 7 ngày tuổi. sodium silicate và sodium hydroxide đã chuẩn bị 3. Kết quả thí nghiệm trước được đổ vào hỗn hợp đã trộn khô. Quá trình Kết quả xác định cường độ chịu uốn theo tiêu nhào trộn ướt trong khoảng 3 phút bằng máy, sau đó chuẩn ASTM C78 và cường độ kéo gián tiếp theo tiêu hỗn hợp bê tông geopolymer được tạo mẫu và dưỡng chuẩn ASTM C496-90 của bê tong geppolymer trình o hộ nhiệt ở 60 C. bày trong bảng 3. Bảng 3. Kết quả thí nghiệm bê tông geopolymer Cường độ chịu uốn, MPa Cường độ chịu kéo gián tiếp, MPa Ký hiệu 4 giờ 6 giờ 8 giờ 10 giờ 4 giờ 6 giờ 8 giờ 10 giờ A1 4.85 5.45 5.89 6.42 3.37 3.45 3.78 4.17 A2 4.78 5.27 5.48 6.15 3.27 3.40 3.64 3.94 A3 4.35 4.93 5.11 5.86 3.06 3.15 3.47 3.85 A1B1 4.41 4.80 5.11 5.47 3.06 3.13 3.25 3.45 A1B2 4.14 4.45 4.84 5.42 2.89 2.94 3.15 3.42 3.1 Ảnh hưởng của hàm lượng hoạt hóa đến cường độ uốn (a) (b) Hình 1. Ảnh hưởng tỷ lệ dung dịch alkaline - tro bay (a) và tỷ lệ sodium silicate - sodium hydroxide (b) đến cường độ chịu uốn của bê tông geopolymer Tạp chí KHCN Xây dựng - số 3/2015 35
3. VẬT LIỆU XÂY DỰNG – MÔI TRƯỜNG Kết quả thí nghiệm cho thấy, cường độ chịu uốn silicate - sodium hydroxide sử dụng là 1 thì cường độ của bê tông geopolymer thay đổi theo sự thay đổi hàm tăng 6.5 và 17.1% khi sử dụng tỷ lệ sodium silicate - lượng dung dịch hoạt hóa thông qua sự thay đổi tỷ lệ sodium hydroxide sử dụng là 2 và 2.5. Tuy nhiên, dung dịch hoạt - tro bay (hình 1a). Khi dưỡng hộ trong ngoài yếu tố giúp làm tăng cường độ chịu uốn của bê 4 giờ, giá trị cường độ chịu uốn đạt được là 4.35, 4.78 tông geopolymer, khi tăng thời gian dưỡng hộ thì sự và 4.85MPa tương ứng với tỷ lệ dung dịch hoạt - tro phát triển cường độ chịu uốn có khuynh hướng tăng bay sử dụng là 0.4, 0.5 và 0.6. Ngoài ra, thời gian nhanh khi sử dụng tỷ lệ sodium silicate - sodium dưỡng hộ giúp quá trình geopolymer hóa diễn ra triệt hydroxide là 2.5 so với hai tỷ lệ còn lại. để hơn giúp làm tăng cường độ chịu uốn của bê tông 3.2 Ảnh hưởng của hàm lượng hoạt hóa đến geopolymer, tăng khoảng 30% khi được dưỡng hộ cường độ kéo gián tiếp trong 10 giờ so với chỉ được dưỡng hộ trong 4 giờ ở cùng mức nhiệt. Thời gian dưỡng hộ càng dài thì quá Kết quả thí nghiệm tương tự như đối với cường trình geopolymer hóa diễn ra mạnh mẽ giúp tổng hợp độ chịu uốn của bê tông geopolymer khi thay đổi tỷ lệ các chuỗi monomer hoàn thiện hơn dẫn đến cường độ dung dịch hoạt hóa - tro bay ứng với tỷ lệ sodium chịu uốn của bê tông geopolymer tăng. silicate - sodium hydroxide là 2.5 (hình 2a) hoặc thay đổi tỷ lệ sodium silicate - sodium hydroxide ứng với tỷ Hình 1b trình bày kết quả thí nghiệm khi giữ lệ dung dịch alkaline-tro bay là 0.6 (hình 2b). Tuy nguyên tỷ lệ dung dịch hoạt - tro bay là 0.6 và thay đổi nhiên mức độ chênh lệch về cường độ chịu kéo gián tỷ lệ sodium silicate - sodium hydroxide. Kết quả thí tiếp của bê tông geopolymer khi được dưỡng hộ trong nghiệm cho thấy, khi dưỡng hộ trong 4 giờ, giá trị 4 giờ và 10 giờ có xu hướng thấp hơn. Do đó, vai trò cường độ chịu uốn đạt được là 4.14, 4.41 và của quá trình geopolymer hóa có khả năng tạo cho bê 4.85MPa tương ứng với tỷ lệ sodium silicate - sodium tông có khả năng phát triển khả năng chịu uốn, đồng hydroxide sử dụng là 1, 2 và 2.5. So với tỷ lệ sodium thời tính chất chịu kéo cũng được gia cường. (a) (b) Hình 2. Ảnh hưởng tỷ lệ dung dịch hoạt hóa-tro bay (a) và tỷ lệ sodium silicate-sodium hydroxide (b) đến cường độ chịu kéo gián tiếp của bê tông geopolymer 3.3 Ảnh hưởng của thành phần dung dịch hoạt hóa cường độ của cấp phối này so với các cấp phối khác có chiều hướng gia tăng khi bê tông geopolymer Kết quả thí nghiệm thể hiện trên hình 3a và 3b được dưỡng hộ trong thời gian dài. Bên cạnh đó, ta cho thấy cấp phối A1 sử dụng tỷ lệ dung dịch alkaline nhận thấy khi tỷ lệ sodium silicate – tro bay càng tăng - tro bay là 0.6 trong đó tỷ lệ sodium silicate - sodium từ 0.29 đến 0.43 trong cấp phối A1, A2 và A3 thì giá hydroxide trong dung dịch hoạt hóa là 2.5 cho kết quả trị uốn và kéo gián tiếp cũng tăng theo. Kết quả này tốt nhất đối với cả cường độ chịu uốn và chịu kéo chứng tỏ hàm lượng của sodium silicate so với hàm gián tiếp của bê tông geopolymer. Sự chênh lệch về 36 Tạp chí KHCN Xây dựng - số 3/2015
4. VẬT LIỆU XÂY DỰNG – MÔI TRƯỜNG lượng (Al2O3 + SiO2) có trong tro bay càng tăng thì của cấp phối A1B1 và A1B2 cao hơn tỷ lệ 0.29 và làm cho liên kết của Si-O-Si càng bền hơn, làm tăng 0.36 của cấp phối A2 và A3 cho giá trị cường độ thấp cường độ chịu uốn. Điều này có nhận xét tương tự hơn. Điều này cho thấy không chỉ vai trò của sodium như các nghiên cứu trước đây khi xác định vai trò của silicate làm tăng khả năng liên kết trong chuỗi sodium silicate làm tăng độ đặc chắc của cấu trúc geopolymer mà cần sự hỗ trợ của thành phần sodium geopolymer, làm tăng cường độ chịu nén [5-7]. Tuy hydroxide phù hợp. nhiên khi tỷ lệ sodium silicate – tro bay là 0.3 và 0.4 (a) (b) Hình 3. Ảnh hưởng của thành phần hoạt hóa đến cường độ chịu uốn (a) và chịu kéo gián tiếp (b) của bê tông geopolymer Bề mặt của bê tông được phân tích bằng phương hạt hình cầu tro bay còn tồn tại trên bề mặt chưa pháp SEM trên hình 4 cho thấy quá trình hoạt hóa tạo được hoạt hóa. Do đó, thành phần của dung dịch hoạt thành cấu trúc vô định hình. Quá trình tạo liên kết Si- hóa sẽ ảnh hưởng lớn đến quá trình phản ứng với vật O-Si xảy ra phụ thuộc rất nhiều yếu tố làm cho các liệu alumino - silicate. Hình 4. SEM của bề mặt mẫu sau khi hoạt hóa, độ phóng đại 3000 lần Tạp chí KHCN Xây dựng - số 3/2015 37
5. VẬT LIỆU XÂY DỰNG – MÔI TRƯỜNG 4. Kết luận 3. D. HARDJITO and B.V. RANGAN. (2005), “Development and properties of low-calcium fly ash-based geopolymer Bài báo nghiên cứu quá trình phản ứng của tro concrete”, Research Report GC1 Faculty of Engineering bay với thành phần sodium silicate, sodium hydroxide Curtin University of Technology Perth, Australia. đến cường độ chịu uốn và chịu kéo gián tiếp của bê tông geopolymer. 4. S.V. JOSHI and M.S. KADU. (2012), “Role of akaline activator in development of Eco-friendly fly ash based - Khi sử dụng tỷ lệ sodium silicate – sodium Geopolymer Concrete”, International Journal of hydroxide là 2.5 thì cường độ uốn, kéo gián tiếp của Enviromental Science and Development, vol.3 (5), bê tông đạt 4.85 và 3.37 MPa với tỷ lệ (sodium silicate pp.417-421. + sodium hydroxide) – tro bay là 0.6 sau 4 giờ dưỡng hộ. Tăng thời gian dưỡng hộ lên 10 giờ thì liên kết Si- 5. H. XU, J.S.J. VAN DEVENTER. (2000), The O-Si càng tốt hơn làm tăng giá trị chịu uốn và kéo geopolymerisation of alumino-silicate minerals, gián tiếp lên khoảng 20-40%; International Journal of Mineral Processing, vol.59, pp. 247-266. - Khi giảm tỷ lệ (sodium silicate + sodium hydroxide) – tro bay hoặc giảm tỷ lệ sodium silicate 6. S. SONGPIRIYAKIJ, T. KUBPRASIT, C. trong thành phần dung dịch hoạt hóa thì cường độ JATURAPITAKKUL and P. CHINDAPRASIRT. (2010), chịu uốn và kéo gián tiếp của bê tông geopolymer “Compressive strength and degree of reaction of cũng giảm theo. biomass- and fly ash-based geopolymer”. Construction and Building Materials, vol. 24, pp 236-240. TÀI LIỆU THAM KHẢO 7. P. DE SILVA and K. SAGOE-CRENSTIL, (2008), 1. J. DAVIDOVITS. (2011), Geopolymer Chemistry and “Medium-term phase stability of Na2O-Al2O3-SiO2-H2O Application, 3rd edition, Geopolymer Institute. geopolymer systems”. Cement and Concrete Research, 2. J. DAVIDOVITS. (2012), “Global warming impact on the vol. 38, pp 870-876. cement and aggregates industries”, World resource Ngày nhận bài: 15/7/2015. review vol. 6, No. 2, pp.263 - 278. Ngày nhận bài sửa lần cuối: 25/8/2015. 38 Tạp chí KHCN Xây dựng - số 3/2015
6. VẬT LIỆU XÂY DỰNG – MÔI TRƯỜNG NGHIÊN CỨU HIỆN TƯỢNG ĂN MÒN GẠCH TRONG KIẾN TRÚC CỔ TS. TRẦN MINH ĐỨC Viện KHCN Xây dựng Tóm tắt: Những công trình xây gạch cổ đang bị ăn Có thể nhận thấy ngay tại đây vai trò của nước mòn làm cho mủn gạch. Nhiều yếu tố ảnh hưởng đến trong gạch: tốc độ quá trình ăn mòn làm phức tạp khi đánh giá - Nước làm tăng tốc độ phản ứng trong nhóm khả năng phá hoại vật liệu gạch. Từ những kết quả nguyên nhân A và là nguyên liệu cho muối kết tinh khảo sát trên các công trình di tích, trong bài này đã trong nhóm nguyên nhân B; đề xuất giới hạn hàm lượng nguy hiểm trong gạch của các tác nhân Sunphat và Clo. - Nước còn là tác nhân làm lây lan hư hỏng từ nơi này đến nơi kia trong khối xây gạch (hòa tan muối và Di tích kiến trúc gạch chiếm một phần đáng kể dịch chuyển trong khối xây; đặc biệt là trường hợp ăn trong di sản dân tộc. Nhiều hư hỏng di tích gạch đã mòn mao dẫn). được phát hiện, thống kê, phân tích tìm nguyên nhân và cách khắc phục. Trong đó khó nhất là vấn đề gạch Ngoài các ion âm và nước, đương nhiên các ion + + mủn. Đương nhiên kiến trúc cổ có gạch mủn không dương như K , Na cũng có vai trò nhất định, ít nhất phải vì nó “cổ”. Rất nhiều trường hợp gạch ngày nay là hình thành các muối tan. Ngoài ra, còn có cả tác cũng nhanh chóng bị mủn chỉ sau vài tháng sử dụng. dụng của chất thải của vi sinh vật như vi nấm, vi Gần đây có ít nghiên cứu về hiện tượng này [1,2,8] khuẩn, với cơ chế hóa học. Và đương nhiên, sự kết nghiên cứu hiện tượng này, số giải pháp khắc phục hợp tất cả các tác nhân cũng là nguyên nhân. Khảo lại càng ít hơn. Vậy đâu là nguyên nhân, đâu là giải sát hiện tượng ăn mòn khối xây gạch/đá có mục đích pháp cho những công trình cổ trong các dự án trùng chính là phát hiện nguồn độc tố cũng như các điều 2- - tu di tích? Vấn đề cần được tổng kết để chỉ ra cái nhìn kiện ăn mòn. Trong đó hàm lượng ion SO4 và Cl đúng đắn cho các nhà tham gia vào việc bảo tồn di đáng được quan tâm nhất do sự phá hoại gạch phổ sản và cả xây cất công trình mới. biến do chúng gây ra. 1. Nguyên nhân và vai trò các độc tố làm mủn 2. Nguồn độc tố và các con đường xâm nhâp gạch khối xây Cho đến nay nguyên nhân mủn gạch hầu như đã Các độc tố nhóm A thường phát sinh từ: sáng tỏ: - Các nhà máy hóa chất, nếu các hóa chất lỏng, A. Do môi trường ăn mòn hóa học, như có tính axit, khí rò rỉ làm môi trường ô nhiễm (thường cụ thể nhất - - là mưa axit). Thường thì độc tố gần nguồn có nồng độ cụ thể là sự có mặt của các ion Cl , NO3 là những yếu tố có phản ứng hóa học với các khoáng chất của khá cao, đủ để hủy hoại gạch/đá với tốc độ lớn. Một gạch và tạo ra sản phẩm kém bền so với các chất ban trường hợp là tháp Khương Mỹ (Quảng Nam): lò sấy đầu. Chất ăn mòn khi ở dạng rắn thì tốc độ phản ứng thịt bò khô sát bên sinh ra một số khí như CO, Cl2, không cao, song khi có nước trở thành dung dịch thì NH3 có thể là tác nhân làm gạch mủn [2]; sức phá hoại tăng nhanh lên nhiều lần. - Không khí biển: nồng độ độc tố không cao, song B. Do sự tái kết tinh các muối tan có trong gạch, trong một thời gian dài sẽ có tích tụ thành lượng lớn. Trong trường hợp tháp Po Nagar (Khánh Hòa) số liệu nhưng điển hình nhất là CaSO4 (thạch cao) hay đo được lượng muối sa lắng (qua lượng Cl-) là 50,46 Na2SO4 (dehydrat sodium sunphat). Các muối này khi 2 gặp nước tạo thành tinh thể ngậm nước và tăng thể mg/m [4]. Các muối tích tụ đến lúc nào đó đủ hình tích lên từ vài lần (sunphat canxi) hay vài chục lần thành nồng độ nguy hiểm cho gạch, làm gạch bị mủn. (sunphat nat’ri). Tinh thể muối lấp đầy các lỗ rỗng, khi Ngoài ra, NaCl còn làm cho gạch bị ẩm mạnh, hóa tăng quá mức sẽ phá vỡ thành lỗ rỗng và làm gạch bị mềm và giảm cường độ (thí nghiệm trong dung dịch mủn (hóa bụi). muối ăn 5% cho thấy mức giảm cường độ có thể đạt tới 30% [2]). Nhiều đền tháp Chămpa bằng gạch nằm Tạp chí KHCN Xây dựng - số 3/2015 39
7. VẬT LIỆU XÂY DỰNG – MÔI TRƯỜNG gần biển, chịu tác động của môi trường không khí đất, nước mưa, nước giếng đều có tính axit, cụ thể: biển; một số số liệu đo không khí được nêu trong chỉ số pH của nước giếng là 5,8 (hàm lượng Cl- là bảng 1. 35,5 mg/l; lượng muối hòa tan MHT là 50,6mg/l; lượng SO 2- là 6,5mg/l), của nước mưa là 4,6 (Cl- = - Nước (nước giếng, nước nền): thường bị 4 42,6 mg/l; MHT = 62,0mg/l; SO 2- < 5,0mg/l), của nhiễm độc do nước thải hoặc mưa có hóa chất. 4 nước chiết từ đất là 5,3 [5]. Trường hợp điển hình có thể là di tích Mộ cự thạch Hàng Gòn, tại đây phân tích môi trường cho thấy cả Bảng 1. Nồng độ một số tác nhân ăn mòn trong không khí Di tích Nồng độ các chất khí, ppm SO2 NO2 CO Cl2 H2S HCl NO Chiên Đàn 0,1 - 10,0 - - - - Khương Mỹ 0,2 0,1 9,0 - - 4,0 5,0 Pô Nagar 0,1 - 9,0 - - 9,6 - Hòa Lai 0,1 - 4,0 - - 9,0 1,0 Pô Rômê - - - - - 5,2 - Pô Đam 0,1 - 1,0 - - 5,9 2,0 Pô Sah Inư 0,1 - 5,0 - - 0,4 - Hàng Gòn - - 3,0 - - 0,2 0,1 Gò Tháp 0,2 - 1,0 - - 5,0 2,0 Ghi chú: Thí nghiệm do LAS – XD 578 Phân Viện KHCNXD Miền Trung thực hiện trên máy đo khí đa chỉ tiêu mác MX21-Olman/IS của Pháp. - Đất: đất có độc tố nhóm A làm mủn gạch có ở trình ăn mòn. Số liệu khảo sát nhà cổ Thanh Phú vùng nhiễm mặn và chất thải công nghiệp rò rỉ, tháp Long (Long An) cho thấy trong tất cả các loại vữa Mỹ Khánh là ví dụ. Tháp bị vùi dưới lớp cát biển 7 – 8 (xây, tô trau, trát) đều bị nhiễm SO3 với hàm lượng m và kết quả phân tích cho thấy gạch bị ngấm muối khác nhau tùy theo lượng cát dùng trong vữa [6]. tan và Cl- [2]. Khi khai lộ gạch bị mủn nhanh chóng Trong trường hợp mao dẫn cần để ý đến nguy cơ vì (do mất cân bằng trao đổi chất). Còn có rất nhiều đền môi trường không đạt ngưỡng nguy hiểm. Có thể giải tháp gạch đang bị vùi trong đất ở Mỹ Sơn, Cát Tiên thích điều này qua hình 1. Hóa chất bắt đầu gây hại Như vậy tồn tại nguy cơ hủy hoại gạch những công khi nồng độ vượt quá ngưỡng cho phép [K]; trong khi trình còn chưa được phát lộ. Nguy nhất là vùng đất đó trong đất, trong nước các chất gây hại đều ở dưới nhiễm mặn, nhiễm phèn ven biển. ngưỡng này: K1 < [K], K2 < [K]. Tình trạng tưởng như - Vi sinh vật: vi khuẩn, thực vật bậc thấp (vi nấm, vô hại, song trên thực tế nhiều công trình đã bị ăn rêu, mốc ) sinh trưởng trên gạch, lấy “thức ăn” từ mòn, chỗ bị hủy hoại nghiêm trọng là vùng giáp ranh gạch (nhất là gạch nung non). Trong quá trình sinh giữa khối xây và nước/đất. Cơ chế ăn mòn như sau: trưởng chúng thải ra một số axit hữu cơ và vô cơ có Khối xây có một phần nằm ngập trong đất/nước – hại, kể cả axit sunphuric hay axit nitric Các axit này thường là phần móng. Bản thân gạch là vật liệu có độ đều làm mủn gạch. rỗng kích thước nhỏ, liên thông, hình thành một hệ thống “ống dẫn vi mô”. Trong các ống này hình thành Các độc tố nhóm B thường phát sinh từ: áp suất âm, kéo nước dâng lên bên trong. Nước trong - Vùng có không khí chứa hơi muối: trường hợp nền cùng với các muối bị hòa tan trong nó được đưa này cũng tương tự như nguyên nhân thuộc nhóm A, lên cao hơn mặt đất/nước (mặt 5 trong hình vẽ). Tại tuy nhiên tốc độ ăn mòn không lớn (nhất là trong môi đó có mặt thoáng (gạch gặp không khí), nước có điều trường khô). Tháp Po Nagar có thể thuộc dạng này. kiện bay hơi, muối ở lại, làm tăng nồng độ hóa chất - Vùng đất, nước nhiễm phèn và muối: thông trong lỗ rỗng của gạch. Cứ như thế hóa chất (muối) thường sự ăn mòn làm mủn gạch thường xảy ra theo tích tụ trong lỗ rỗng. Sau một thời gian nồng độ muối cơ chế mao dẫn. Vùng Đồng Tháp Mười nói riêng và sẽ vượt ngưỡng an toàn. Trường hợp tương tự là Tây Nam Bộ nói chung có nhiều nền gạch cổ thuộc khuếch tán độc tố do chênh lệch nồng độ. văn hóa Oc Eo – Phù Nam. Hàng năm có mùa nước - Vùng có mỏ sét nhiễm phèn và nhiễm muối: tại nổi nên gạch bị ngấm độc tố, chỉ cần gặp điều kiện những vùng này (thường là ven biển); gạch làm từ sét thuận lợi (gặp nước, mặt thoáng khí ) là xảy ra quá này (hoặc trộn nhào sét bằng nước nhiễm phèn, nhiễm 40 Tạp chí KHCN Xây dựng - số 3/2015
8. VẬT LIỆU XÂY DỰNG – MÔI TRƯỜNG mặn) chứa độc tố. Các chất gây ăn mòn không dễ bay lượng trong môi trường thì chỉ phù hợp khi chỉ số này hơi trong quá trình nung gạch và trong khối xây chúng cao tới mức gây hại trong thời gian ngắn, chưa hẳn bắt đầu quá trình phá hủy gạch khi gặp nước. đã chính xác). Đã có các tiêu chuẩn quy định hàm - Trong khi thi công: công nghệ kỹ thuật xây công lượng các độc tố trong đất sét làm gạch và làm gốm: trình di tích có nhiều đặc điểm khác với cách xây hiện TCVN 4353:1986. Đất sét để sản xuất gạch ngói đại. Đền tháp Chămpa được xây theo lối mài chập – nung – Yêu cầu kỹ thuật. mài gạch với nước; trong khi đó công trình của người TCVN 6300:1997. Nguyên liệu để sản xuất sản Việt sử dụng vữa vôi, trong đó nhiều nơi vôi có nguồn phẩm gốm xây dựng. Đất sét – Yêu cầu kỹ thuật. gốc biển: vôi hàu, vôi san hô Nếu nước mài gạch có Tiêu chuẩn đầu quy định đất sét không được muối hay là nước phèn thì sẽ là nguy cơ cho gạch. chứa muối tan, quy định thêm: nếu có muối tan thì Vôi có nguồn gốc biển thường chứa Cl-, SO 2- cũng là 4 phải sử lý bằng cách rửa. Như vậy có thể hiểu là: nguồn gây mủn gạch. không được phép có muối tan trong nguyên liệu sét. Như vậy, sự có mặt của các độc tố, của nước và Tiêu chuẩn thứ hai cũng quy định không có muối tan khả năng xâm nhập vào khối xây là những điều kiện trong sét, và quy định thêm: hàm lượng sunphat tính tiên quyết để quá trình ăn mòn khởi phát và tăng tốc. theo SO3 không được vượt quá 0,5%. Cần hiểu rõ: Nhưng cần tích tụ bao nhiêu thì các tác nhân ăn mòn Khi làm đồ gốm cần có công đoạn khuấy rửa , trong mới gây hại (muối khoáng tan lúc nào cũng có trong khi đó hàm lượng SO3 còn giảm xuống nữa. Tuy đất sét). nhiên với gốm cấp thấp (gạch, ngói) thì không có 3. Nồng độ có thể gây hại của hóa chất ăn mòn công đoạn này. Vậy hàm lượng phèn (qua chỉ sổ SO3) Thông thường chỉ số này được diễn tả bằng hàm cần hạ xuống mức nào? lượng chất trong đất sét (nếu đánh giá qua hàm Hình 1. Cơ chế ăn mòn mao dẫn Nhiều công trình gạch được khảo sát để tìm thành lỗ rỗng vi cấu trúc) cũng đóng vai trò lớn trong hàm lượng các độc tố chính có trong gạch mủn (bảng sự hủy hoại bằng cơ chế chèn ép của tinh thể muối. 2). Trong đó nêu cả số liệu của gạch chưa/không mủn Trường hợp nhà cổ phía tây thành Kèn (Biên Hòa, để so sánh. Có vấn đề cần lưu ý: hàm lượng độc tố Đồng Nai): mặc dù có mặt SO3 trong tất cả các loại - Cl , SO3 trong đất sét nguyên liệu và trong gạch vữa (xây cuốn, lát nền ) song gạch chỉ (cổ) kết khối không thật đồng nhất vì có vai trò của muối tan trong có chất lượng tốt, nên thậm chí kể cả lượng SO3 lên việc làm mủn gạch, ở đây chưa tách rời được. Hơn đến 0,78% trong vữa gạch vẫn không bị hủy [7]. Tuy nữa, cường độ gạch (quyết định đến độ vững chắc nhiên, trong bức tranh chung tác động chính vẫn là Tạp chí KHCN Xây dựng - số 3/2015 41
9. VẬT LIỆU XÂY DỰNG – MÔI TRƯỜNG - 0 các yếu tố CaSO4, Na2SO4 và Cl . Lượng mất khi cháy ở nhiệt độ 600 – 700 C). Để xác định, trong một nung được xác định trong phân tích thành phần hóa số trường hợp có làm phân tích nhiệt vi sai DTA và học (theo TCVN 7131:2002), chưa phải là lượng mất nhiệt khối lượng TG, thậm chí cả chụp vi cấu trúc. nước tinh thể trong các muối tan (thường ở nhiệt độ 50% 0,0 0,00 0 Gạch phục chế chưa mủn 2 3,5 NLK > 75% 0,0 0,00 0 Bột gạch phục chế mủn (lớp mặt) 1 1,25 KXĐ 0,0 0,00 0 Bột gạch phục chế mủn (lớp mặt) 2 7,37 KXĐ 0,0 1,64 ~2(5) Bột gạch phục chế mủn (lớp mặt) 3 0,18(10) KXĐ 0,0 0,11 0 Tháp Po Nagar Chỗ bong rộp 9,05 KXĐ 0,0 24,33 Nhiều Bột gạch mủn mới 4,75 KXĐ 0,0 0,15 Rất ít Bột gạch mủn cũ 10,26 KXĐ 0,0 0,24 0 Gạch gốc không mủn (2 mẫu) tháp A 1,67-2,19 KXĐ 0,0 0,00-0,08 0 Gạch phục chế chưa mủn(6)(3 mẫu) 0,26-0,35 KXĐ 0,0 0,00- 0,04 0 Gạch phục chế cũ bị mủn, tháp B 4,00 NLK 0,0 0,33 0 Tháp Khương Mỹ Gạch gốc bị mủn 8,23-9,60 KXĐ 1,07-1,84 0,09-0,22 0 Gạch gốc chưa mủn 10,00 KXĐ 0,04 0,04 0 Tháp Po Đam Bột gạch mủn (4 mẫu) 4,49-4,99 KXĐ 0,21-2,56 0,39-0,92 ~1-2(5) Gạch không mủn (2 mẫu) 1,92-2,47 NLK 0,00 0,00 0 Lõi đen của gạch không mủn 3,69 Hỗn hợp(7) 0,00 0,00 0 Gạch gốc mềm (màu nâu) 3,33 KXĐ 0,018 0,07 0 Gạch gốc không mủn 2,73 KXĐ 0,00 0,04 0 Tháp Bình Lâm Gạch gốc chưa mủn (4 mẫu) 1,15-2,12 KXĐ 0,00 0,07-0,13 0 Bột gạch mủn 10,79 KXĐ 0,00 1,31 ~2(5) Vữa 4,52 KXĐ 0,00 0,22 0 Tháp Hòa lai Gạch p. chế 1992 bị mủn (3 mẫu) - - 0,986-1,069 0,244 - Gạch p.chế 1992 chưa mủn (2 mẫu) - - 0,036-0,047 0,244 - Gạch cổ bị mủn (4 mẫu) - - 0,238-0,648 0,34-0,50 - Bột gạch mới bị mủn (chỗ mủn) 13,17 KXĐ 0,0 12,86(8) ~12-18(5) Tháp Po SahInư Gạch mủn mặt ngoài tháp 6,39 NLK > 90% 0,0 0,03 0 Gạch mủn mặt trong tháp 6,16 NLK > 90% 0,0 0,44 ~1(5) Gạch mềm (cổ) 4,07 KXĐ 0,0 0,06 0 Gạch cứng 0,99 KXĐ 0,0 0,07 0 Nền gạch cổ gần Miếu bà chúa Xứ, Đồng Tháp Bột gạch mủn 11,67 KXĐ 0,0 8,29 0(9) Gò Minh Sư Gạch già chưa mủn 1,46 KXĐ 0,0 0,03 0 Gạch non chưa mủn 5,34 KXĐ 0,0 0,68 0 42 Tạp chí KHCN Xây dựng - số 3/2015
10. VẬT LIỆU XÂY DỰNG – MÔI TRƯỜNG Ghi chú: - Các số có khoảng biến động là kết quả nhiều mẫu riêng biệt (2 – 4mẫu) - MKN = Mất khi nung; - KXĐ = Không xác định (không đo); - NLK = Nước liên kết (hấp phụ, tinh thể); - Hỗn hợp = Gồm nước liên kết + nước cấu trúc OH- hay chất hữu cơ cháy = MKN. * Số liệu nhỏ đo ở bề mặt – nơi muối đã bị nước mưa rửa trôi, tổng lượng muối đo được: 0,128 – 0,994% tùy theo vị trí lớp (lấy mẫu theo chiều sâu). (1) – Kết quả không đều, có vai trò như nhau trong MKN của nước liên kết và chất hữu cơ tồn dư (ảnh vi cấu trúc chỉ thấy có lượng than trong gạch); các mẫu có độ hút vôi cao hơn các mẫu khác chứng tỏ được nung non. (2) – Hàm lượng Sunphat nhỏ, ở dạng Magie Sunphat, ít có hại so với Canxi Sunphat. (3) – Rất ít, chiếm 1-2% trong tinh thể muối tiết ra khỏi gạch ở dạng CaSO4.2H2O. (4) – Vữa gồm vôi, bột gạch, dầu rái (dầu rái chiếm đến 70,0%). (5) – Đo trong dạng CaSO4.2H2O. (6) – Nguồn đất sét có hàm lượng SO3 là 0,09%. (7) – Hỗn hợp MKN gồm 60% là nước liên kết và 40% là nước cấu trúc hoặc chất hữu cơ chưa cháy hết. 2- (8) – SO3 tính quy từ S (9) – Không thấy thạch cao, nhưng có khối lượng Na2SO4.10H2O cỡ 1%. (10) – Gạch nung già. số, và thường là dưới 2,0% (còn nếu loại trừ cả nước Nhận xét và thảo luận mục 3: cấu trúc và tồn dư chất hữu cơ tìm được trong phân 1. Do điều kiện các Dự án nên không thể làm tất tích nhiệt thì con số phải là dưới 1,0%). Vì vậy khi cả các thí nghiệm cần thiết của mỗi mẫu gạch, những thấy lượng MKN trên 2% cần nghĩ đến sự cần thiết thí nghiệm OTA, SEM không phải lúc nào cũng thực phân tích DTA, TG và để làm rõ vấn đề; hiện được; một số mẫu cũng không xác định chỉ tiêu 4. Đối với ngưỡng nguy hiểm của Cl- thì qua cơ lý của mẫu gạch Do đó chủ yếu đánh giá dựa trường hợp của tháp Mỹ Khánh, tháp Khương Mỹ và trên số liệu thành phần khoáng vật và thành phần hóa tháp Hòa Lai, giá trị 0,05% có thể coi là hàm lượng tới học của gạch. Ngoài ra, có thể thấy hầu hết các mẫu hạn vì các mẫu có giá trị Cl- dưới giá trị này đều gạch đều nung non (là đặc điểm của gạch cổ đền không mủn (bỏ qua giá trị 0,238% của tháp Hòa Lai). tháp Chămpa), ngoại lệ có một số mẫu phục chế của Còn trên giá trị này (tháp Mỹ Khánh, Khương Mỹ, Hòa Po Nagar, Po Sah Inư (mác trên 100); Lai) gạch đều mủn. Hàm lượng 0,05% tương ứng với 2. Nhìn tổng thể, hầu hết không gặp trường hợp hàm lượng muối ăn NaCl 0,126%; của muối natri sunphat khan (chỉ có 01 mẫu ở Gò 5. Đối với SO thì các mẫu gạch mủn có hàm Tháp, Đồng Tháp). Trong nhiều mẫu gạch mủn có 3 lượng SO3 0,50% của Gò Minh Sư), dạng thạch cao; trong đó đa phần là 0,04 – 0,07%. Những mẫu gạch 3. Ngưỡng nguy hiểm của lượng muối không có giá trị cao hơn mà chưa mủn có thể có điều kiện tan: việc xác định rất phức tạp, không chỉ dựa vào làm việc tốt hơn (khô, khuất trong khối xây, hoặc nung hàm lượng MKN, kể cả khi biết lượng nước liên kết già hơn ). Như vậy có thể tạm coi giá trị SO3 = cũng khó xác định vì phụ thuộc rất nhiều vào dạng 0,05% là ngưỡng an toàn; muối tan có trong sét. Mặt khác có nhiều loại đất sét 6. Bỏ qua quá trình tích lũy độc tố từ môi trường, với tính chất khác nhau. Xét những trường hợp không - - có thể coi ngưỡng nguy hiểm của Cl = 0,05% và SO3 có, hoặc có rất yếu tác động của Cl và SO3 thì gạch = 0,05% so với khối lượng gạch. Tuy nhiên cần đánh không mủn khi hàm lượng MKN có giá trị dưới 1 con giá ngưỡng nguy hiểm trong nguyên liệu (đất sét). Tạp chí KHCN Xây dựng - số 3/2015 43
11. VẬT LIỆU XÂY DỰNG – MÔI TRƯỜNG Nói thêm về giá trị 0,5% của SO3 trong tiêu chuẩn - Nguyên nhân gây gạch mủn đã được xác định, TCVN 6300:1997 dành cho đất sét làm gốm xây dựng. song rất khó xác định ngưỡng nguy hiểm của các độc tố Giá trị này được sử dụng trong điều kiện nguyên liệu như: muối tan, phèn, ion Cl-, chưa xác định rõ cho được lọc rửa và có khi nung ở nhiệt độ cao tới 12000C trường hợp gạch mới; chưa cho khả năng đánh giá tiềm - 15000C (trong khi gạch cổ chỉ nung từ 6000C - 8000C) năng ăn mòn gạch cổ trên công trình di tích kiến trúc; để làm sản phẩm cao cấp hơn gạch (như là sứ vệ sinh, - Mặc dù hàm lượng độc tố đơn phương chưa xác ống sành thoát nước ). Trong điều kiện như vậy giá trị định mức nguy hiểm, song đây là yếu tố đóng vai trò SO3 thực tế của đất sét sau khi rửa thấp hơn 0,5% quyết định nhất trong mủn gạch. Qua các kết quả nhiều và sản phẩm có cường độ vật liệu rất cao, vách khảo sát di tích kiến trúc gạch, có thể hạn chế lượng lỗ rỗng trong cấu trúc rất cứng nên chịu được áp lực độc tố như sau (cho cả đất sét, nước là nguyên liệu của tinh thể muối chèn ép; làm gạch lẫn gạch trên công trình): muối tan theo chỉ 7. Xét đến khả năng biến đổi hàm lượng độc tố tiêu MKN < 1,5%, Cl- < 0,05%, SO3 < 0,05%. Nếu trong quá trình nung gạch: các khoáng chứa SO3 có: trong điều kiện môi trường làm việc có độc tố thì cần anhydrit CaSO4 (thạch cao khan), ternadit Na2SO4, hạ mức trên xuống còn 0,01-0,00%, loại bỏ muối tan; NaCl Khoáng chất đầu tiên bị phân tích ở 9500C đồng thời có biện pháp hạn chế độc tố và nước xâm thành CaO (khó tan) và SO3 (bay hơi). Các chất sau nhập vào gạch; cũng chỉ bị phân ở nhiệt độ cao. Với gạch nung non - Cần thiết những nghiên cứu khoa học sâu hơn vào thì độc tố tồn tại trong gạch. Như vậy đánh giá mức đánh giá độ bền của khối xây và gạch mới trong điều nguy hiểm còn phải xét đến độ chín của gạch. Trong kiện có ăn mòn có nguồn từ bên trong và bên ngoài (kể quá trình nung: thể tích viên gạch nhỏ đi (làm tăng cả ăn mòn sinh học); đồng thời đề xuất các giải pháp khối lượng thể tích) còn một số chất bay hơi (làm ngăn chặn và khắc phục hiện tượng gạch mủn. giảm khối lượng thể tích). Các quá trình này bù trừ cho nhau, nhưng ở mức độ nào thì cho đến nay chưa TÀI LIỆU THAM KHẢO thấy công bố kết quả nghiên cứu. Do đó cần những 1. Nguyễn Tiến Bình. (2012), Nghiên cứu hiện tượng gạch nghiên cứu bổ sung; mủn ở tháp chămpa Hòa Lai và tìm giải pháp khắc phục, 8. Quy luật có thể rõ ràng hơn nếu tìm ra: quan báo cáo tổng kết đề tài tổng kết công nghệ cấp Viện. hệ giữa lượng độc tố trước khi nung (đất sét) với hàm 2. Trần Minh Đức. (2007), Nghiên cứu nguyên nhân hư lượng độc tố sau khi nung (gạch) với chế độ nung hỏng gạch chămpa, báo cáo tổng kết đề tài cấp Viện khác nhau, quan hệ giữa mác gạch Mg với hàm RDV-02/2007, Viện KHCN Xây dựng, Huế. lượng độc tố MĐT, cũng như có được các hệ số ảnh 3. Phân Viện KHCNXD Miền Trung. (2012), Hồ sơ khảo hưởng của cấu trúc, môi trường lên độ bền chống sát công trình tháp Khương Mỹ, Huế. ăn mòn của gạch. Ngoài ra, cũng cần xét đến yếu tố 4. Phân Viện KHCNXD Miền Trung. (2005), Hồ sơ khảo chủng loại nguyên liệu (sét) vì thành phần và hiệu sát công trình tháp Po Nagar, Huế. ứng nhiệt của chúng khác nhau. Những mối quan hệ 5. Phân Viện KHCNXD Miền Trung. (2007), Hồ sơ khảo này chỉ xác định được trong những thí nghiệm nghiên sát công trình mộ Cự thạch Hàng Gòn, Huế. cứu quy mô, dài ngày; 6. Phân Viện KHCNXD Miền Trung. (2010), Hồ sơ khảo 9. Tác động của vi sinh vật đến việc mủn gạch sát công trình nhà cổ Thanh Phú Long, Huế. (ăn mòn sinh học) cũng khá phức tạp và cần có 7. Phân Viện KHCNXD Miền Trung. (2011), Hồ sơ khảo những nghiên cứu tiếp theo. sát công trình thành Biên Hòa, Huế. 4. Kết luận 8. Инчик B.B. (2001), Опыт обследования состояния - Ăn mòn gạch là vấn đề nghiêm trọng còn chưa кирпичных зданий сооржений и пмятников được nghiên cứu thấu đáo trong bảo tồn di tích kiến архитектуры, подвергшихся слевой коррозии (Kinh trúc nước ta. Hiện tượng gạch bị mủn xảy ra ở hầu nghiệm khảo sát hiện trạng tường nhà, công trình và di hết các công trình cổ, nhất là các đền tháp Chămpa tích kiến trúc bị ăn mòn do muối), Nhà xuất bản Xây và di tích văn hóa Cát Tiên, Oc Eo – Phù Nam, kể cả dựng, Matxcơva. di tích khác như công trình của người Việt và gạch Ngày nhận bài: 22/4/2015. trong xây dựng hiện đại; Ngày nhận bài sửa lần cuối: 23/9/2015. 44 Tạp chí KHCN Xây dựng - số 3/2015
12. KHẢO SÁT - THIẾT KẾ XÂY DỰNG Tạp chí KHCN Xây dựng - số 3+4/2013 45