1 BỘ CÔNG THƯƠNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHIỆP THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH BÁO CÁO TỔNG KẾT ĐỀ TÀI KHOA HỌC KẾT QUẢ THỰC HIỆN ĐỀ TÀI NGHIÊN CỨU KHOA HỌC CẤP TRƯỜNG Tên đề tài Đánh giá sự phù hợp và mức độ chính xác c[.]
BỘ CÔNG THƯƠNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHIỆP THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH BÁO CÁO TỔNG KẾT ĐỀ TÀI KHOA HỌC KẾT QUẢ THỰC HIỆN ĐỀ TÀI NGHIÊN CỨU KHOA HỌC CẤP TRƯỜNG Tên đề tài: Đánh giá phù hợp mức độ xác phương pháp thúc đẩy ăn mịn cốt thép kết cấu bê tơng cốt thép dòng điện Mã số đề tài: 20/1.2XD01 Chủ nhiệm đề tài: Nguyễn Thị Hải Yến Đơn vị thực hiện: Khoa Kỹ thuật Xây Dựng Tp Hồ Chí Minh, tháng năm 2021 BỘ CƠNG THƯƠNG CƠNG HỊA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHIỆP Độc Lập-Tự Do-Hạnh Phúc THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH HỘI ĐỒNG NGHIỆM THU ĐỀ TÀI Chủ tịch hội đồng: PGS TS Nguyễn Văn Chánh Phản biện 1: PGS TS Trần Văn Miền Phản biện 2: TS Nguyễn Thị Bích Thủy Thư ký: TS Nguyễn Quang Dũng Ủy viên: TS Nguyễn Văn Nam LỜI CẢM ƠN Lời đầu tiên, tác giả trân trọng gởi lời cảm ơn đến Bán giám hiệu, Phòng Quản lý khoa học Hợp tác quốc tế, Khoa Kỹ thuật Xây dựng Trường Đại học Công Nghiệp Thành Phố Hồ Chí Minh hỗ trợ kinh phí tạo điều kiện thuận lợi suốt trình thực đề tài nghiên cứu Đồng thời, tác giả xin gởi lời cảm ơn sâu sắc đến Quý thầy cô Hội đồng nghiệm thu giành thời gian quý báu để đọc góp ý để nội dung báo cáo đạt chất lượng tốt Cảm ơn gia đình, bạn bè đồng nghiệp ln khích lệ, động viên giúp đỡ Mặc dù cố gắng, việc thiếu sót khơng thể tránh khỏi Tác giả mong góp ý nhà chun mơn, q thầy cô, cán quản lý bạn bè đồng nghiệp TĨM TẮT Ăn mịn cốt thép kết cấu bê tông cốt thép (BTCT) ngun nhân gây hư hỏng cơng trình BTCT Vơ số nghiên cứu, thực nghiệm lẫn mô phỏng, thực nhằm đánh giá yếu tố ảnh hưởng chế q trình ăn mịn BTCT Từ đó, biện pháp phù hợp nhằm gia tăng độ bền tuổi thọ cơng trình đề xuất Tuy nhiên, ăn mịn cốt thép q trình lâu dài, kéo dài hàng chục năm Do đó, phương pháp thúc đẩy ăn mịn nhằm rút ngắn thời gian thí nghiệm yêu cầu thiết yếu Sử dụng dòng điện phương pháp phổ biến dùng để thúc đẩy q trình ăn mịn BTCT Tuy nhiên, mức độ tin cậy phương pháp việc mơ chế ăn mịn tự nhiên vấn đề đáng tranh cãi Trong nghiên cứu này, mức độ xác phương pháp nhằm thúc đẩy ăn mòn BTCT đánh giá thông qua thay đổi vi mô lớp bảo vệ cốt thép Abstract: Corrosion of steel rebar in reinforced concrete is one of the primary causes for the reduction of load capacity, then shortening of service life of structure Various research have been done to characterize the behavior of steel in reinforced concrete under various aspects However, the corrosion process of steel rebar in concrete can take place for several decades The impressed current method has been employed widely in order to provoke and accelerate the corrosion process Unfortunately, the reliability of this method is still unclear if it is fully able to simulate the natural corrosion of steel in concrete In this research, the microstructure of mill-scale and the damage of this protective layer under the effect of impressed current was studied to evaluate the reliability of impressed current method MỤC LỤC TÓM TẮT CHƯƠNG TỔNG QUAN VÀ CƠ SƠ LÝ THUYẾT 1.1 Tổng quan 1.2 Cơ sở lý thuyết 1.3 Phạm vi nghiên cứu 13 1.4 Ý nghĩa khoa học thực tiễn 13 CHƯƠNG VẬT LIỆU VÀ PHƯƠNG PHÁP THÍ NGHIỆM 15 2.1 Vật liệu 15 2.2 Phương pháp nghiên cứu 16 CHƯƠNG KẾT QUẢ THÍ NGHIỆM 3.1 Cấu trúc vi mô lớp bảo vệ cốt thép mill-scale trước kích hoạt ăn mịn 18 3.2 Sự phá hoại lớp bảo vệ cốt thép, sản phẩm ăn mịn tính chất bề mặt tiếp giáp bê tông-cốt thép 20 CHƯƠNG KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 27 4.1 Kết luận 27 4.2 Kiến nghị 27 TÀI LIỆU THAM KHẢO 29 CHƯƠNG TỔNG QUAN VÀ CƠ SỞ LÝ THUYẾT 1.1 Tổng quan Bê tông cốt thép (BTCT) biết đến loại vật liệu xây dựng sử dụng phổ biến giới Bê tơng có pH khoảng 12.5-13.5 Đây coi mơi trường hồn hảo giúp cốt thép chống lại tác động gây ăn mịn Dưới tác dụng mơi trường kiềm, lớp phủ bảo vệ (millscale) hình thành bề mặt cốt thép trình sản xuất [1,2] bảo vệ có khả chống lại tác nhân ăn mịn Tuy nhiên, bê tơng ln chứa độ rỗng định Chính lỗ rỗng tạo điều kiện cho tác nhân gây ăn mòn cốt thép xâm nhập vào sâu bên bê tơng, tiếp xúc cốt thép gây ăn mịn cốt thép Hình 1: Tình trạng ăn mịn cốt thép lan can bờ kè biển Phan Thiết Lớp phủ bảo vệ cốt thép millscale bị phá hoại khi: - Môi trường kiềm tạo bê tông bị trung hịa bị axit hóa tác dụng khí carbonic hay nước ngầm - Hàm lượng ion clorua bề mặt cốt thép cao, tỉ lệ [Cl-]/[OH-] bê tông đạt giá trị tới hạn [3-7] Ăn mòn cốt thép kết cấu BTCT nguyên nhân chủ yếu gây suy giảm khả chịu lực tuổi thọ cơng trình BTCT [1,2] Nó khơng ảnh hưởng đến an toàn người sử dụng, mà cịn ảnh hưởng tới kinh phí xây dựng sửa chữa sử dụng hợp lý tài nguyên thiên nhiên Hình trạng ăn mịn lan can bê tơng cốt thép bờ biển Bình Thuận sau thời gian ngắn đưa vào sử dụng 1.2 Cơ sở lý thuyết Hình 2: Quá trình hư hại kết cấu bê tông cốt thép môi trường xâm thực Quá trình hư hại kết cấu bê tông cốt thép môi trường xâm thực bắt đầu xâm nhập tích lũy yếu tố gây xâm thực ion chloride, carbonate hóa đến bề mặt cốt thép bê tông Khi tác nhân xâm thực tích lũy đến giá trị tới hạn định, chúng phá hủy lớp bảo vệ cốt thép kích hoạt oxy hóa cốt thép, gây nên q trình ăn mịn cốt thép bê tơng thể phương trình (1) Fe - 2e Fe2+ (1) Hình 3: Thể tích tương đối sản phẩm ăn mịn từ cốt thép so với thề tích thép ban đầu Các sản phẩm ăn mòn tạo từ q trình oxy hóa thép tích lớn nhiều so với thể tích ban đầu thép Từ đó, chúng tạo nội ứng suất bê tông bề mặt cốt thép, bắt đầu gây nứt phá hoại lớp bê tông bảo vệ Hình thể mối quan hệ thời gian sử dụng cơng trình mức độ hư hại kết cấu bê tông cốt thép môi trường xâm thực Hình thể gia tăng thể tích tương đối sản phẩm ăn mịn cốt thép so với thể tích thép ban đầu Các giai đoạn ăn mịn cốt thép, gây nứt bê tơng phá hoại kết cấu bê tông cốt thép thể rõ Hình Nước biển, với thành phần natri clorua, tác nhân quan trọng gây kích hoạt thúc đẩy q trình ăn mịn cốt thép kết cấu BTCT, làm giảm diện tích ngang cốt thép Từ làm giảm khả chịu chực kết cấu, gây ảnh hưởng đến an toàn người sử dụng Đồng thời, ảnh hưởng ăn mòn, thời gian phục vụ tuổi thọ cơng trình bị rút ngắn đáng kể Khi kết cấu BTCT làm việc môi trường biển, ion clorua xâm nhập sâu vào bê tơng, khuếch tán đến bề mặt cốt thép kích hoạt trình ăn mịn cốt thép kết cấu BTCT [3,4] Do tính chất quan trọng tính phổ biến cơng trình bê tơng cốt thép làm việc ảnh hưởng mơi trường có chứa chloride, nhiều nghiên cứu thực nhằm hiểu rõ chế ăn mòn cốt thép kết cấu BTCT làm việc môi trường biển [5-7] Hình 4: Các giai đoạn ăn mịn cốt thép phá hoại bê tông giai đoạn Tuy nhiên, q trình ăn mịn cốt thép BTCT trình lâu dài [4] Việc tìm hiểu chế ăn mịn ảnh hưởng giai đoạn khác trình ăn mịn đến độ bền cơng trình dài lâu Do đó, phương pháp thúc đẩy q trình ăn mòn cốt thép BTCT sử dụng nhằm phục vụ cho công tác nghiên cứu cần thiết Sử dụng dịng điện chiều để kích hoạt thúc đẩy q trình ăn mịn biện pháp thường sử dụng [8-10] Trong phương pháp này, cốt thép bê tông liên kết với cực dương Cực âm nguồn điện chiều liên kết với điện cực bổ sung lắp đặt bên ngồi Sơ đồ thực dịng điện chiều để kích hoạt ăn mịn cốt thép kết cấu BTCT diễn giải Hình Phương pháp phát triển dựa Định luật Faraday, nêu Phương trình Trong đó, mức độ ăn mịn cốt thép kiểm sốt thơng qua cường độ dịng điện sử dụng thời gian tác dụng dòng điện (2) Trong đó: Δm khối lượng thép bị ăn mịn (g) F: số Faraday, F= 96500 C/mol M: Khối lượng mol nguyên tử Fe (56) nguyên tố (kg) z: hóa trị Fe (2) I: Cường độ dòng điện (mA) t: thời gian áp dụng (s) + a no d e + DC _ Na C l(3%) c a tho d e _ Hình Sơ đồ thực dịng điện chiều để kích hoạt ăn mịn Rất nhiều nghiên cứu liên quan đến ăn mòn cốt thép kết cấu BTCT sử dụng phương pháp nhằm thúc đẩy nhanh q trình ăn mịn Tuy nhiên, hầu hết nghiên cứu tập trung vào mối tương quan mức độ ăn mòn khả chịu lực kết cấu, hình thành vết nứt bê tông, hay suy giảm lực bám dính bê tơng cốt thép [11-17] Trong đó, nghiên cứu đề cập đến tương tác sản phẩm ăn mòn bê tông, xâm nhập sản phẩm ăn mịn từ bề mặt cốt thép vào bê tơng, 10 Bảng 3: Thành phần cấp phối bê tông Tỷ lệ nước/xi măng Xi măng (kg/m3) Cát (kg/m3) Đá dăm (kg/m3) 0.5 430 735 1183 2.2 Phương pháp nghiên cứu Sau đổ bê tông dưỡng hộ 14 ngày, số mẫu BTCT sử dụng để khảo sát thành phần cấu tạo lớp bảo vệ cốt thép trước ăn mòn xảy Trong số khác đem kích hoạt ăn mịn dòng điện Dòng điện 300 μA/m2 chạy qua mẫu vịng 360 nhằm kích hoạt thúc đẩy q trình ăn mịn cốt thép Hình Hình Laboratory setup for impressed current application Để khảo sát thay đổi lớp bảo vệ cốt thép xâm nhập sản phẩm ăn mịn từ bề mặt cốt thép vào bê tơng, dầm BTCT (trước sau kích hoạt ăn mịn) cắt thành lát mỏng có chiều dày khoảng mm Mẫu có kích thước 30x30x5 mm chứa vùng tiếp 16 xúc bê tông cốt thép chuẩn bị Sau đó, chúng phủ nhựa epoxy bảo dưỡng ngày trước mài nhẵn bề mặt đến kích thước 0.5 μm Hình bề mặt mẫu trước thực thí nghiệm qua quan sát Kính hiển vi điện tử quét kết hợp với phân tích phổ tán sắc lượng tia X SEM-EDS (Scanning Electron Microscopy with Energy Dispersive Spectroscopy) Hình Mẫu kích hoạt ăn mịn trước thực thí nghiệm SEM-EDS Độ dày, tính đồng thành phần hóa học lớp bảo vệ cốt thép thay đổi bề mặt cốt thép, mức độ phá hoại lớp bảo vệ cốt thép, tương tác bê tông sản phẩm ăn mịn cốt thép bê tơng sau kích hoạt ăn mòn khảo sát nghiên cứu 17 CHƯƠNG KẾT QUẢ THÍ NGHIỆM 3.1 Cấu trúc vi mô lớp bảo vệ cốt thép mill-scale trước kích hoạt ăn mịn Hình ảnh thu từ kính hiển vi điện tử quét cho thấy, bề mặt cốt thép tồn lớp bảo vệ cốt thép, Hình 10 Lớp bảo vệ cốt thép có chiều dày đồng đều, xấp xỉ 15-20μm Tuy nhiên lớp bảo vệ cốt thép khơng hồn tồn đồng mà bị hư hỏng, mức độ hư hỏng khác vị trí khác nhau, thể Hình 11 Hình 10: Cấu trúc vi mô lớp bảo vệ cốt thép bề mặt cốt thép Hơn nữa, lớp bảo vệ cốt thép cấu thành từ hai lớp khác nhau, lớp lớp 2, Hình 11a Dưới kính hiển vi điện tử quét, lớp có độ sáng thấp lớp có độ dày xấp xỉ μm Kết phân tích thành phần hóa EDS cho thấy, lớp tạo thành từ oxit sắt Trong đó, tỷ lệ Fe/O xấp xỉ 0.71- 0.81 Từ thấy, lớp cấu thành chủ yếu từ wustile FeO, magnetite Fe3O4 hematite α-Fe2O3 18 Hình 11: Cấu tạo lớp bảo vệ cốt thép 19 Trong đó, lớp có chiều dày xấp xỉ 11-15μm Kết phân tích EDS cho thấy, lớp oxit sắt có tỷ lệ Fe/O xấp xỉ 1.02 Rõ ràng, lớp tạo thành từ wustite FeO Lớp bảo vệ cốt thép tạo thành bề mặt cốt thép thông qua vài giây thép tiếp xúc mơi trường khơng khí bị oxy hóa q trình cán nóng, tạo thành lớp oxit sắt đặc bề mặt thép có khả bảo vệ thép chống lại tác nhân gây ăn mòn [16] Tuy nhiên, lớp bảo vệ cốt thép khơng hồn tồn hồn hảo mà phân bố khơng đồng dễ hư hỏng Điều tạo điều kiện cho tác nhân ăn mòn dễ dàng tiếp xúc lớp thép bên gây ăn mòn 3.2 Sự phá hoại lớp bảo vệ cốt thép, sản phẩm ăn mịn tính chất bề mặt tiếp giáp bê tơng-cốt thép Hình 12: Ăn mịn cốt thép sau kích hoạt ăn mịn dịng điện Sau kích hoạt thúc đẩy q trình ăn mịn dịng điện, số vị trí cốt thép bị ăn mịn nghiêm trọng, thể Hình 12 Chiều dày lớp cốt thép bị ăn mịn lên đến mm Lớp bảo vệ cốt thép bị phá hoại nghiêm trọng (vỡ vụn) 20 ... đổi lớp bảo vệ cốt thép xâm nhập sản phẩm ăn mòn từ bề mặt cốt thép vào bê tông Sự phá hủy lớp bảo vệ cốt thép cho gia tăng điện thế, tạo nên ăn mòn lớn thụ động cốt thép [21] Và khác biệt chế... vệ cốt thép, sản phẩm ăn mòn tính chất bề mặt tiếp giáp bê tơng -cốt thép Hình 12: Ăn mịn cốt thép sau kích hoạt ăn mịn dịng điện Sau kích hoạt thúc đẩy q trình ăn mịn dịng điện, số vị trí cốt thép. .. dụng dòng điện phương pháp phổ biến dùng để thúc đẩy q trình ăn mịn BTCT Tuy nhiên, mức độ tin cậy phương pháp việc mô chế ăn mòn tự nhiên vấn đề đáng tranh cãi Trong nghiên cứu này, mức độ xác phương