Các đặc tính kỹ thuật của bê tông bị xâm thực bởi muối sunphat

 TẠP CHÍ KHOA HỌC TRƯỜNG ĐẠI HỌC HỒNG ĐỨC - SỐ 39.2018 
65 
CÁC ĐẶC TÍNH KỸ THUẬT CỦA BÊ TÔNG BỊ XÂM THỰC 
BỞI MUỐI SUNPHAT 
Mai Thị Ngọc Hằng1, Lưu Đình Thi2, Hà Văn Sơn3 
TÓM TẮT 
Bài báo nghiên cứu các đặc tính của bê tông bị xâm thực bởi muối sunphat. Các hỗn 
hợp bê tông được thiết kế với tỷ lệ nước - chất kết dính 0,35, 0,40 và 0,45. Tro bay thô của 
nhà máy nhiệt điện Nghi Sơn được sử dụng để thay thế 10% xi măng trong thành phần cấp 
phối hỗn hợp bê tông. Các mẫu bê tông được ngâm trong dung dịch Na2SO4 nồng độ 5% và 
trong nước để so sánh kết quả. Các thí nghiệm về cường độ chịu nén và vận tốc truyền xung 
siêu âm được tiến hành tại 3, 7, 14, 28, 56 và 91 ngày tuổi. Kết quả thí nghiệm cho thấy, 
cường độ chịu nén và vận tốc truyền xung siêu âm của các mẫu bị xâm thực sunphat nhỏ 
hơn các mẫu bê tông thường được bảo dưỡng trong nước. Các phản ứng giữa muối sunphat 
và các sản phẩm thủy hóa và puzơlan hóa tạo nên gypsum và ettringite là nguyên nhân gây 
nên sự trương nở, nứt nẻ và làm giảm cường độ chịu lực của bê tông.  
Từ khóa: Bê tông, xâm thực sunphat, cường độ chịu nén, vận tốc truyền xung siêu 
âm, gypsum, ettringite. 
1. ĐẶT VẤN ĐỀ 
Chất lượng của các kết cấu bê tông cốt thép bị giảm đáng kể do hiện tượng xâm thực 
từ môi trường bên ngoài. Các hóa chất từ bên ngoài như axit, muối khi xâm nhập vào bên 
trong bê tông sẽ tác động tiêu cực và làm thay đổi khả năng chịu lực cũng như độ bền của bê 
tông. Hiện tượng bê tông bị xâm thực bởi các muối sunphat được phát hiện từ năm 1908, tuy 
nhiên cho đến nay các nhà nghiên cứu vẫn chưa thực sự hiểu biết về nó một cách đầy đủ [8]. 
Với các nghiên cứu trên hồ xi măng, Sahmaran và cộng sự [8] đã chỉ ra rằng cường độ chịu 
nén của chúng giảm đáng kể sau 16 tuần ngâm trong dung dịch Na2SO4 nồng độ 5%. Các 
nghiên cứu trước cũng chỉ ra rằng hồ xi măng không phù hợp để sử dụng trong điều kiện 
môi trường bị xâm thực sunphat bởi vì sự tấn công của các muối sunphat dẫn đến sự giãn nở 
và làm mất khả năng chịu lực của chúng [4,8]. Tuy nhiên, các nghiên cứu trên cũng chỉ ra 
rằng khả năng chống lại sự xâm thực sunphat của hồ xi măng được cải thiện đáng kể khi sử 
dụng thêm tro bay và tro trấu với hàm lượng phù hợp. 
Những tác động tiêu cực của sunphat lên bê tông được thể hiện thông qua sự giãn nở, 
mất khối lượng và giảm cường độ chịu lực [6,7,10,11,12]. Đặc biệt các nghiên cứu của Torii 
và cộng sự (1995); Li và cộng sự (2003) đều cho rằng với bê tông thường chỉ sử dụng xi 
măng làm chất kết dính bị giãn nở lớn và mất khả năng chịu lực sau 1 năm bị xâm thực bởi 
dung dịch Na2SO4 nồng độ 10% hoặc H2SO4 nồng độ 2%. Để cải thiện khả năng chống ăn 
mòn sunphat, Summer [10] đã sử dụng 10÷17% tro bay loại F hoặc C để thay thế xi măng. 
1,2,3 Giảng viên khoa Kỹ thuật Công nghệ, Trường Đại học Hồng Đức 
Edited with the trial version of 
Foxit Advanced PDF Editor
To remove this notice, visit:
www.foxitsoftware.com/shopping
TẠP CHÍ KHOA HỌC TRƯỜNG ĐẠI HỌC HỒNG ĐỨC - SỐ 39.2018 
66 
Kết quả tương tự khi Torii và cộng sự (1995); Iassar và cộng sự (1996) sử dụng lần lượt 50% 
và 20% tro bay thay thế xi măng. Việc sử dụng kết hợp tro bay với xỉ lò cao và muội silic 
cũng làm tăng khả năng chống lại sự xâm thực sunphat của bê tông [7,12]. 
Với tốc độ phát triển mạnh mẽ của ngành công nghiệp xây dựng hiện nay, ngày càng 
nhiều các công trình được xây dựng với các yêu cầu kỹ thuật ngày càng khắt khe, đặc biệt 
là các công trình tiếp xúc trực tiếp với môi trường có tồn tại sunphat (đất, nước ngầm, nước 
biển, nước thải, không khí, ). Hiện nay các công trình nghiên cứu thực nghiệm ở Việt Nam 
về ăn mòn sunphat còn rất hạn chế, trong khi các nghiên cứu trên thế giới vẫn chưa hoàn 
toàn hiểu hết về hiện tượng này. Việc sử dụng tro bay và các phụ gia khoáng khác có thể tăng 
khả năng chống lại sự xâm thực sunphat, tuy nhiên hiệu quả của chúng phụ thuộc nhiều vào 
chất lượng của vật liệu được sử dụng. Các kết quả nghiên cứu trước đây sử dụng tro bay tuyển 
(được tuyển chọn với chất lượng cao) có lượng mất khi nung từ 0,45% đến 3,2%. Bài báo này 
nghiên cứu các đặc tính của bê tông sử dụng tro bay của nhà máy nhiệt điện Nghi Sơn để thay 
thế 10% xi măng bị xâm thực bởi dung dịch Na2SO4 nồng độ 5%. Chú ý rằng tro bay được sử 
dụng trong bài báo này là tro bay thô (chưa qua tuyển chọn) có lượng mất khi nung lớn, 15,8%.  
2. NỘI DUNG  
2.1. Vật liệu và phương pháp thí nghiệm 
2.1.1. Vật liệu 
Chất kết dính sử dụng trong nghiên cứu này là xi măng Nghi Sơn PC40 và tro bay của 
nhà máy nhiệt điện Nghi Sơn, các thành phần hóa học của chúng được thể hiện trong bảng 1, 
khối lượng riêng của chúng lần lượt là 3,12tấn/m3 và 2,16tấn/m3. Theo tiêu chuẩn ASTM C618 
[2005], tro bay sử dụng trong nghiên cứu này là tro bay loại F, với tổng hàm lượng SiO2, Al2O3
và Fe2O3 lớn hơn 70% (bảng 1). Chú ý rằng, các nghiên cứu trước [4-7,10-12] sử dụng tro bay 
tuyển có lượng mất khi nung nhỏ hơn 6%, phù hợp với tiêu chuẩn ASTM C618 (). Tro bay sử 
dụng trong nghiên cứu này là tro bay thô, với lượng mất khi nung 15,8%, lớn hơn yêu cầu theo 
quy định của tiêu chuẩn ASTM C618. Việc sử dụng tro bay thô chưa qua tuyển chọn trong 
các công trình chịu xâm thực sunphat sẽ được đánh giá trong nghiên cứu này. 
Đá và cát được khai thác từ các mỏ tự nhiên trên địa bàn tỉnh Thanh Hóa với các đặc 
trưng được trình bày trong bảng 2. Phụ gia hóa dẻo Sikament R7 với khối lượng riêng là 
1,15tấn/m3 được sử dụng để giảm lượng nước và tăng tính công tác cho bê tông. Hàm lượng 
phụ gia hóa dẻo được sử dụng bằng 1% tổng khối lượng các chất kết dính.  
Bảng 1. Thành phần hóa học của xi măng và tro bay 
Thành 
phần (%) 
SiO2 Al2O3 Fe2O3 CaO  MgO  SO3 K2O  Na2O  Khác 
Lượng 
mất khi 
nung (%) 
Xi măng  22,4  5,3  4,0  55,9  2,8  2,1  0,8  0,3  4,5  1,9 
Tro bay  48,4  20,4  4,8  2,8  1,4  0,2  1,1  0,8  4,3  15,8 
Edited with the trial version of 
Foxit Advanced PDF Editor
To remove this notice, visit:
www.foxitsoftware.com/shopping
 TẠP CHÍ KHOA HỌC TRƯỜNG ĐẠI HỌC HỒNG ĐỨC - SỐ 39.2018 
67 
Bảng 2. Các đặc trưng của cốt liệu 
Cốt liệu 
Kích thước 
hạt lớn nhất 
(mm) 
Khối lượng 
riêng  
(T/m3) 
Khối lượng 
thể tích khô 
(T/m3) 
Độ ẩm  
(%) 
Độ hút nước 
(%) 
Cát  5,0  2,62  1,50  4,35  1,08 
Đá  15,0  2,69  1,45  0,11  0,08 
2.1.2. Thiết kế thành phần cấp phối hỗn hợp bê tông 
Bảng 3 trình bày thành phần cấp phối của các hỗn hợp bê tông. Các hỗn hợp bê tông 
được thiết kế theo tiêu chuẩn ACI 211-91 [2] với các tỷ lệ nước-chất kết dính (N/CKD) 0,35, 
0,40 và 0,45. Chú ý rằng, hàm lượng tro bay sử dụng bằng 10% tổng hàm lượng chất kết 
dính, được kế thừa từ nghiên cứu trước với cùng loại vật liệu [1]. 
Bảng 3. Thành phần cấp phối mẫu bê tông (tính cho 1m3) 
Tên mẫu 
Tỷ lệ 
N/CKD 
Xi măng 
(kg) 
Tro bay 
(kg) 
Cát 
(kg) 
Đá 
(kg) 
Nước 
(kg) 
Phụ gia hóa dẻo 
(kg) 
M35  0,35  469,1  52,1  811,6  898,4  177,2  5,2 
M40  0,40  410,8  45,6  867,1  899,1  178,0  4,6 
M45  0,45  365,4  40,6  910,3  899,7  178,7  4,1 
2.1.3. Chuẩn bị mẫu và phương pháp thí nghiệm 
Khối lượng bê tông tươi và độ sụt của các hỗn hợp bê tông được xác định ngay sau 
khi trộn. Sau đó các mẫu bê tông được đúc trong khuôn hình trụ có đường kính 10cm, 
chiều cao 20cm. Sau một ngày, tháo khuôn và bảo dưỡng các mẫu bê tông trong nước và 
trong  dung  dịch Na2SO4 nồng  độ  5% cho  đến  khi  tiến  hành  các  thí  nghiệm. Các  thí 
nghiệm được tiến hành bao gồm cường độ chịu nén và vận tốc truyền xung siêu âm tại 
3, 7, 14, 28, 56 và 91 ngày tuổi. Kết quả trình bày trong bài báo này là giá trị trung bình 
của 3 mẫu thử.  
2.2. Kết quả và thảo luận 
2.2.1. Độ sụt và khối lượng bê tông tươi 
Độ sụt và khối lượng đơn vị thể tích của các hỗn hợp bê tông tươi được trình bày 
trong bảng 4. Độ sụt và khối lượng đơn vị thể tích của bê tông thay đổi lần lượt từ 5,2÷6,0 
cm và 2408÷2372kg/m3 khi tỷ lệ N/CKD thay đổi từ 0,35 đến 0,45. Kết quả cho thấy độ 
sụt tăng và khối lượng đơn vị thể tích của bê tông giảm khi tăng tỷ lệ N/CKD. Với hàm 
lượng nước gần như nhau, khi tỷ lệ N/CKD tăng thì hàm lượng xi măng giảm, dẫn đến 
khối lượng đơn vị thể tích mẫu giảm, bởi vì khối lượng riêng của xi măng lớn nhất trong 
các thành phần cấu tạo nên bê tông. Mặt khác, cường độ chịu nén của bê tông phụ thuộc 
chủ yếu vào tỷ lệ N/CKD [9], khi tỷ lệ N/CKD giảm thì cường độ bê tông tăng.  
Edited with the trial version of 
Foxit Advanced PDF Editor
To remove this notice, visit:
www.foxitsoftware.com/shopping
TẠP CHÍ KHOA HỌC TRƯỜNG ĐẠI HỌC HỒNG ĐỨC - SỐ 39.2018 
68 
Bảng 4. Độ sụt và khối lượng đơn vị thể tích của các mẫu 
Hỗn hợp  
bê tông 
N/CKD 
Phụ gia  
hóa dẻo 
(kg/m3) 
Độ sụt 
(cm) 
Khối lượng đơn vị 
 thể tích 
(kg/m3) 
M35  0,35  5,2  4,2  2408 
M40  0,40  4,6  5,1  2388 
M45  0,45  4,1  6,0  2372 
2.2.2. Cường độ chịu nén 
Cường độ chịu nén của các mẫu bê tông thường được bảo dưỡng trong nước và các 
mẫu bị xâm thực sunphat (ngâm trong dung dịch Na2SO4 nồng độ 5%) được thể hiện lần 
lượt như hình 1a và 1b. Cường độ chịu nén của tất cả các mẫu vẫn tiếp tục tăng theo thời 
gian, bởi vì các phản ứng thủy hóa của xi măng (1) và puzơlan hóa của tro bay (2) vẫn tiếp 
tục phát triển theo thời gian. Ở cùng ngày tuổi, các mẫu với tỷ lệ N/CKD nhỏ có cường độ 
chịu nén cao hơn các mẫu với tỷ lệ N/CKD cao. Điều này được giải thích bởi Shetty [9], 
cường độ chịu nén của bê tông tỷ lệ nghịch với tỷ lệ N/CKD. 
Phản ứng thủy hóa:  
3 2 2 2
C S, C S  + H O C-S-H + Ca OH® (1) 
Phản ứng Puzơlan hóa: 
22
Ca OH + SiO C-S-H® (2) 
Cường độ chịu nén tại các ngày tuổi ban đầu không có sự khác biệt nhiều giữa các 
mẫu ngâm trong nước và dung dịch muối sunphat. Tuy nhiên ở các ngày tuổi càng dài, cường 
độ chịu nén của các mẫu bê tông được ngâm trong dung dịch muối sunphat thấp hơn các 
mẫu bê tông tương ứng được ngâm trong nước. Tại 91 ngày tuổi, cường độ chịu nén của các 
mẫu bị ăn mòn sunphat chỉ bằng khoảng 86÷88% so với các mẫu thường, và sự giảm cường 
độ này có xu hướng tiếp diễn theo thời gian. Đây là kết quả của các phản ứng giữa muối 
sunphatvà  các  sản  phẩm  thủy  hóa  và  puzơlan  hóa  để  tạo  thành  thạch  cao  (gypsum: 
4 2CaSO .2H O) và ettringite ( 3 4 2C A.3CaSO .32H O) như phương trình (3)÷(6). Tại các ngày 
tuổi ban đầu, các phản ứng thủy hóa và puzơlan hóa chiếm ưu thế nên cường độ của các mẫu 
tiếp tục phát triển. Tuy nhiên, càng về sau, các phản ứng tạo ra gypsum và ettringite ngày càng 
nhiều, đây là các hợp chất gây giãn nở, làm nứt nẻ và giảm khả năng chịu lực của bê tông. 
2 4 2 4 22
Na SO .2H O + Ca OH CaSO .2H O + 2NaOH® (3) 
2 4 2 4 2Na SO .2H O + C-S-H CaSO .2H O + N-S-H® (4)
4 13 4 2 2 3 4 2 2
C AH + 3CaSO .2H O + 14H O C A.3CaSO .32H O + Ca OH® (5)
3 4 2 4 2 2 3 4 2C A.CaSO .12H O + 2CaSO .2H O + 16H O C A.3CaSO .32H O® (6)
Edited with the trial version of 
Foxit Advanced PDF Editor
To remove this notice, visit:
www.foxitsoftware.com/shopping
 TẠP CHÍ KHOA HỌC TRƯỜNG ĐẠI HỌC HỒNG ĐỨC - SỐ 39.2018 
69 
0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100
Ngµy tuæi (ngµy)
0
5
10
15
20
25
30
35
40
45
M35
M40
M45
(a)  (b) 
Hình 1. Cường độ chịu nén (a) mẫu ngâm nước; (b) mẫu ngâm trong dung dịch Na2SO4 
2.2.3. Vận tốc truyền xung siêu âm 
Vận tốc truyền xung siêu âm là một thí nghiệm không phá hủy mẫu, được dùng để 
đánh giá độ bền của bê tông liên quan đến tính đặc chắc, tính đồng nhất và các khuyết tật 
bên trong bê tông như vết nứt, lỗ rỗng. Vận tốc truyền xung siêu âm trong bê tông càng cao, 
độ đặc chắc của kết cấu càng tốt, chất lượng bê tông càng cao. Theo Carcano và Moreno [5], 
bê tông có vận tốc truyền xung siêu âm lớn hơn 4100m/s được xếp vào loại bê tông có chất 
lượng cao. Hình 2a và 2b lần lượt thể hiện vận tốc truyền xung siêu âm của các mẫu thường 
và mẫu bị ăn mòn sunphat. Kết quả thí nghiệm chỉ ra rằng, vận tốc truyền xung siêu âm có 
liên quan mật thiết đến khả năng chịu nén của bê tông. Các mẫu bê tông có cường độ chịu 
nén cao thì tương ứng có vận tốc truyền xung siêu âm cao. Tương tự như kết quả chịu nén, 
các mẫu bê tông bị ăn mòn sunphat có vận tốc truyền xung siêu âm nhỏ hơn các mẫu bê tông 
tương ứng ở điều kiện thường. Kết quả này cũng được giải thích tương tự như kết quả thí 
nghiệm xác định cường độ chịu nén, do sự hình thành gypsum và ettringite làm giảm chất 
lượng bê tông. Tuy nhiên, tất cả các mẫu bê tông trong nghiên cứu này đều có vận tốc truyền 
xung siêu âm lớn hơn 4100m/s, được phân loại là bê tông có chất lượng tốt như đã đề cập ở 
trên [5]. Kết quả này một phần là do sự có mặt của tro bay đã làm tăng khả năng chống ăn 
mòn sunphat, tương tự như kết quả từ các nghiên cứu trước [4,6-7,10-12].  
0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100
Ngµy tuæi (ngµy)
4000
4200
4400
4600
4800
5000
5200
M35
M40
M45
0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100
Ngµy tuæi (ngµy)
4000
4200
4400
4600
4800
5000
5200
M35
M40
M45
(a)  (b) 
Hình 2. Vận tốc truyền xung siêu âm 
(a) mẫu ngâm nước; (b) mẫu ngâm trong dung dịch Na2SO4 
Edited with the trial version of 
Foxit Advanced PDF Editor
To remove this notice, visit:
www.foxitsoftware.com/shopping
TẠP CHÍ KHOA HỌC TRƯỜNG ĐẠI HỌC HỒNG ĐỨC - SỐ 39.2018 
70 
3. KẾT LUẬN 
Bài báo này trình bày kết quả thí nghiệm về các đặc tính kỹ thuật của bê tông bị xâm 
thực bởi dung dịch Na2SO4 nồng độ 5%. Các mẫu bê tông thường được bảo dưỡng trong 
nước cũng được thí nghiệm để làm mẫu so sánh. Các kết quả chính được rút ra từ thí nghiệm 
cho thấy :  
Sau 91 ngày tuổi, cường độ chịu nén của các mẫu bê tông bị xâm thực sunphat giảm 
còn 86÷88% so với các mẫu bê tông thường. 
Vận tốc truyền xung siêu âm của các mẫu bê tông bị xâm thực thấp hơn các mẫu bê 
tông thường. 
Sự giảm chất lượng của bê tông trong môi trường bị xâm thực sunphat là do sự hình 
thành gypsum và ettringite gây giãn nở, nứt và giảm khả năng chịu lực của bê tông. 
Các mẫu bê tông trong nghiên cứu này có chất  lượng  tương đối  tốt khi có vận tốc 
truyền xung siêu âm lớn hơn 4100m/s, một phần do sự có mặt của tro bay trong thành phần 
cấp phối mẫu.  
TÀI LIỆU THAM KHẢO 
[1] Ngô Sĩ Huy, Lê Thị Thanh Tâm, Huỳnh Trọng Phước (2017), Effect of fly ash 
content on the compressive strength development of concrete”, Tạp chí Khoa học 
Công nghệ Xây dựng, Số 2, trang 31-36. 
[2] ACI  Committee  211  (1991),  Standard practice for selecting proportions for 
normal, heavyweight, and mass concrete.
[3] ASTM C618 (2005), Standard specification for coal fly ash and raw or calcined 
natural pozzolan for use in concrete.
[4] Chindaprasirt  P.,  Kanchanda  P.,  Sathonsaowaphak  A.,  and  Cao  H.  T.  (2007), 
Sulfate resistance of blended cements containing fly ash and rice husk ash, 
Construction and Building Materials, 21, pp. 1356-1361. 
[5] Carcano R. S., and Moreno E. I. (2008), Evaluation of concrete made with crushed 
limestone aggregate based on ultrasonic pulse velocity, Construction and Building 
Materials, 22, pp. 1125-1131. 
[6] Irassar E. F., Maio A. D., and Batic O. R. (1996), Sulfate attack on concrete with 
mineral admixtures, Cement and Concrete Research, 26(1), pp. 113-123. 
[7] Li G., and Zhao X. (2003), Properties of concrete incorporating fly ash and ground 
granulated blast-furnace slag, Cement and Concrete Composite, 25, 293-299. 
[8] Sahmaran  M.,  Kasap  O.,  Duru  K.,  and  Yaman  I.  O.  (2007),  Effects of mix 
composition and water-cement ratio on the sulfate resistance of blended cements, 
Cement and Concrete Composite, 29, pp. 159-167. 
[9] Shetty M. S. (2005), Concrete technology theory and practice, Ram Nagar, New 
Delhi, India. 
Edited with the trial version of 
Foxit Advanced PDF Editor
To remove this notice, visit:
www.foxitsoftware.com/shopping
 TẠP CHÍ KHOA HỌC TRƯỜNG ĐẠI HỌC HỒNG ĐỨC - SỐ 39.2018 
71 
[10] Sumer  M.  (2012),  Compressive strength and sulfate resistance properties of 
concretes containing Class F and Class C fly ashes, Construction and Building 
Materials, 34, pp. 531-536. 
[11] Torii K., Taniguchi K., and Kawamura M. (1995), Sulfate resistance of high fly 
ash content concrete, Cement and Concrete Research, 25(4), pp. 759-768. 
[12] Thomas M. D. A., Shehata M. H., Shashiprakash S. G., Hopkins D. S., and Cail 
K. (1999), Use of ternary cementitious systems containing silica fume and fly ash 
in concrete, Cement and Concrete Research, 29, pp. 1207-1214. 
THE ENGINEERING PROPERTIES OF CONCRETE 
UNDER SULFATE ATTACK 
Mai Thi Ngoc Hang, Luu Dinh Thi, Ha Van Son 
ABSTRACT 
This paper investigates the properties of concrete under sulfate attack. Concrete 
mixtures were designed with water to binder ratios of 0.35, 0.40, and 0.45. The raw fly ash 
of Nghi Son power plant was used to substitute 10% of cement in concrete mixtures. 
Concrete samples were immersed in 5% Na2SO4 solution and fresh water for comparison. 
The compressive strength and ultrasonic pulse velocity tests were conducted at 3, 7, 14, 28, 
56 and 91 days. Testing results indicate that the compressive strength and ultrasonic pulse 
velocity of concrete samples immersed in sulfate solution were lower than those of 
corresponding samples immersed in fresh water. The chemical reactions between sulfate ion 
with the hydration and puzzolanic products to form gypsum and ettringite are causes of 
expansion, cracks, and reduction in strength of concrete.
 Keywords: Concrete, sulfate attack, compressive strength, ultrasonic pulse velocity, 
gypsum, ettringite. 
Edited with the trial version of 
Foxit Advanced PDF Editor
To remove this notice, visit:
www.foxitsoftware.com/shopping