Nghiên cứu ảnh hưởng của một số chất phụ gia đến khả năng ức chế ăn mòn cốt thép bê tông trong môi trường biển nhiệt đới

ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP HỊ CHÍ MINH TRNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA Lưu HOÀNG TÂM NGHIÊN cứu ẢNH HƯỞNG CỦA MỘT SÔ CHẤT PHỤ GIA ĐẾN KHẢ NĂNG ức CHẾ ÃN MỊN CỐT THÉP BÊ TƠNG TRONG MƠI TRƯỜNG BIẾN NHIỆT ĐỚI LUẬN ÁN TIẾN Sĩ KỲ THUẬT TP HỊ CHÍ MINH - NĂM 2022 ĐẠI HỌC QUỎC GIA TP HCM TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA Lưu HOÀNG TÂM NGHIÊN cứu ẢNH HƯỞNG CỦA MỘT SÔ CHẤT PHỤ GIA ĐẾN KHẢ NĂNG ức CHẾ ÃN MÒN CỐT THÉP BÊ TƠNG TRONG MƠI TRƯỜNG BIẾN NHIỆT ĐỚI Chun ngành: Cơng nghệ điện hỏa bảo vệ kim loại Mã số chuycn ngành: 62527601 Phân biện độc lập: TS Đinh Vãn Phúc Phản biện độc lập: TS Bùi Thanh Tùng Phản biện: PGS TS Nguyền Đình Thành Phân biện: PGS TS Nguyền Quang Long Phản biện: PGS TS Hà Thúc Chí Nhân NGƯỜI HƯỚNG DÀN: PGS.TS Nguyền Trần Hà GS.TS Lê Quốc Hùng LỜI CAM ĐOAN Tác giá xin cam đoan cơng trình nghiên cứu thân tác giả Các kết qua nghiên cứu kết luận luận án trung thực, không chép từ nguồn hình thức Việc tham khảo nguồn tài liệu (nếu có) thực trích dẫn ghi nguồn tài liệu tham khảo quy định Tác già luận án Lưu Hồng Tâm i TĨM TẮT LUẬN ÁN Ăn mịn cốt thcp bê tơng vấn đề nghiêm trọng phá hủy vật liệu dần đến giới hạn ứng dụng bê tông cốt thép, đặc biệt mơi trường có tính ăn mịn kim loại cao biển, ven biển nhiệt đới Việt Nam Đe góp phẩn hạn chế ăn mịn cốt thép gia cường bô tông, nhiều phụ gia chống ăn mòn nghiên cứu ứng dụng Luận án nghiên cứu trình bày kết nghiên cứu việc sử dụng phụ gia bao gồm natri silicat, urê, thiourê, natri nitrit, canxi nitrat muội silic bê tơng để ức chế q trình ăn mịn kim loại Q trình nghiên cứu ức chế ăn mịn cốt thép bô tông su dụng phụ gia thực môi trường mô phong thực nghiệm sư dụng dung dịch chiết từ hỗn hợp nước biên / xi măng Hơn nữa, trình nghiên cứu ức chế ăn mịn cốt thép bẻ tơng cịn thực mòi trường thực, cụ thê mầu ngâm phơi vcn biển Nha Trang Mức độ ăn mịn cốt thép be tơng ảnh hưởng phụ gia sử dụng khảo sát, phân tích nghiên cứu thơng qua phương pháp đánh giá tính chất lý cua mẫu phương pháp điện hóa K.ết nghiên cứu khăng định hàm lượng phù hợp chat ức chế ăn mịn sử dụng phụ gia bê tơng đến q trình ức chế ăn mịn cot thép hiệu Ngồi ra, cư chế q trình ăn mịn cốt thép sử dụng phụ gia điều kiện khao sát phân tích đề xuất Nghicn cứu cua luận án chi rằng: Hiệu qua ức chc (Z) ăn mòn thép natri silicat, urê thiourê dung dịch chiết từ hỗn hợp “nước biên - xi mãng“ tăng theo dãy: z (natri silicat) < z (urê) < z (thiourê) Tốc độ ăn môn cốt thép bê tông ngâm ngập nước biến giám theo chiều tăng hàm lượng cua muội silic từ - 10% (thay khối lượng xi măng) Trong điều kiện thực tế khí quyên ven biển Nha Trang, thử nghiệm 12 tháng, hiệu bao vệ (Z) cốt thép bê tông tâng dần theo dãy: z (thiourê) < z (urê) < z (natri silicat) < z (muội silic) Trong điều kiện thực tế biến Nha Trang, thứ nghiệm 36 tháng, hiệu bao vệ (Z) cùa chất ức che ăn mòn cốt thép natri silicat, urê, thiourê (từ 0,05 đen 0,20%) muội silic (thay xi măng từ 2,5 đến 10%) tăng theo dãy: z (thiourê) < z (urê) < z (muội silic) < z (natri silicat) ii ABSTRACT Corrosion of steel reinforced concrete is a serious problem that obstructs their wider applications in adverse environments, especially under seawater or in tropical marine atmosphere along coastal regions of Vietnam To suppress the corrosion of steel reinforced concrete, many corrosion inhibitor additives have been studied and applied This thesis reports the results of research on various potential additives, such as sodium silicate, urea, thiourea, sodium nitrite, calcium nitrate, and silica fume The inhibitor effect on corrosion of reinforcement in the concrete was studied in stimulated environment by using solutions extracted from the seawater/cement mixture Moreover, the field investigation of the inhibition effect was earned out by immersing steel reinforced concretes under seawater and exposing them to the marine atmosphere of Nha Trang The degree of Steel corrosion in concrete based on additives were analyzed and evaluated through mechanical testing and electrochemical measurements of the samples The experimental results indicated that there is a remarkable difference in inhibition efficiency of each inhibitor in optimal concentration on Steel reinforced concrete under the survey conditions From a theoretical perspective, the mechanism of corrosion when adding these inhibitors is also mentioned and discussed The thesis research found that: The inhibition efficiency (Z) on Steel corrosion of sodium silicate, urea, and thiourea in the solutions extracted from the mixture of "seawater - cement" increased in the following order: z (sodium silicate) < z (urea) < z (thiourea) The corrosion rate of reinforced concrete submerged in seawater decreases with increasing silica fume concentration from - 10 % by weight of cement In the coastal atmosphere in Nha Trang (12 months), the inhibition efficiency (Z) for steel reinforcement in concrete gradually increases in the following order: Z (thiourea) < z (urea) < z (sodium silicate) < z (silica fume) In the case of the submerged seawater zone in Nha Trang (36 months), the inhibition efficiency (Z) of sodium silicate, urea, thiourea (from 0.05 to 0.20 wt%), and silica fume (replacing cement from 2.5 to 10 wt%) for steel reinforcement increases in the following order: z (thiourea) < z (urea) < z (silica fume) < z (sodium silicate) iii LỜI CÁM ƯN Lời đầu tiên, tác giã xin gửi lời cám ơn đến Ban Lãnh đạo Đại học Quốc gia Thành phố Hồ Chí Minh, Ban Giám hiệu Trường Đại học Bách khoa - Đại học Quốc gia Thành phố Hồ Chí Minh Phịng Đào tạo Sau Đại học cho phép tác giả thực luận án Tác gia xin gưi lời tri ân đến Ban Lãnh đạo tất Quý Thầy Cơ Khoa Kỳ Thuật Hóa Học Bộ mơn Kỳ Thuật Hóa Lý, Trường Đại học Bách Khoa - Đại học Quốc Gia Thành phố Hồ Chí Minh, cung cấp nhiều kiến thức kinh nghiệm quý báu, hỗ trợ tác già suốt trình học tập nghiên cín.1 đổ có ngày hơm Tác giả thành kinh tường nhớ tri ân sâu sac đen co GS.TSKH Vũ Đình Huy, người Thầy tơn kính, ln tâm huyết dạy dồ tận tâm hướng dẫn cho tác gia q trình thực • • luận • án Đặc biệt, tác giả xin chân thành cám ơn PGS.TS Nguyễn Trần Hà GS.TS Lê Quốc Hùng, hai quý Thầy luôn sần sàng hỗ trợ nhiệt tình hướng dần giúp cho tác gia hoàn thành luận án Tác già cám ơn đen Quý Thầy Cô Khoa Công nghẹ Vật liệu, Bộ môn Vật liệu Năng Lượng & Úng dụng, Trường Đại học Bách Khoa - Đại học Quốc Gia Thành Ho Chí Minh, tạo điều kiện thuận lợi cho tác gia thực luận án Tác giả xin gửi lời tri ân đến Ban Lành đạo Trung tâm Nhiệt đới Việt Nga - Chi nhánh Ven biển - Nha Trang, TS Bùi Bá Xuân, KS Phan Bá Tứ anh em cán hồ trợ giúp đỡ nhiệt tình cho việc nghiên cứu thư nghiệm tự nhiên diễn thuận lợi tốt đẹp Cám ơn Phịng Thí nghiệm Trọng diêm cùa Khoa Công nghệ Vật liệu, Trường Đại học Bách Khoa - Đại học Quốc Gia Thành phố Ho Chi Minh đà giúp cho tác giả xác định thành phần hóa học cúa thép tính chất cơ, lý mẫu nghiên cứu Sau cùng, tác giả xin gửi lời cám ơn đến gia đinh, đong nghiệp học trị ln ln động viên quan tâm giúp đờ cho tác gia đe hoàn thành luận án Nghiên cứu sinh Lưu Hoàng Tâm iv MỤC LỤC DANH MỤC CÁC HÌNH ẢNH ix DANH MỤC BẢNG BIÉU XV DANH MỤC CÁC TÙ V1ÉT TÁT xviii LỜI MỎ ĐÀU CHƯƠNG 1.1 TÔNG QUAN VÀ ĐẠT VÁN ĐÈ NGHIÊN cứu Ãn mòn kim loại 1.1.1 Khái niệm ãn mòn kim loại .3 1.1.2 Phân loại 1.1.2.1 Theo che trình ăn mòn 1.1.2.2 Theo trạng thái bề mặt kim loại bị phá huý 1.1.2.3 Theo điều kiện cùa q trình ăn mịn 1.1.3 Ăn mòn kim loại gây thiệt hại lớn cho kinh tể quốc dân 1.1.4 Ăn mịn diện hóa học 1.2 Ãn mịn cốt thép bê tơng - Nhũng vấn đề chung 1.2.1 Tình hình giới 1.2.2 Tinh hình nước 11 1.2.3 Nguyên nhân ăn mòn cốt thép bê tông môi trường nước biển .13 1.3 1.2.3.1 Q trình cacbonat hóa 14 1.2.3.2 Tác động ion clorua 14 Nghiên cúu phụ gia ức chế ăn mòn cốt thép bê tông 15 1.3.1 Thực trạng nghiên cứu phụ gia ức che ăn mòn cốt thép bô tông 15 1.3.2 Khá khuếch tán chất ức chế ăn mịn cốt thép bê tơng 19 1.4 Bão vệ bê tông cốt thép phụ gia ức chế ăn mòn 21 1.4.1 Úc chế ăn mòn cốt thép bê tỏng sở canxi nitrit, Ca(NO2>2 21 1.4.2 ức chế ăn mịn cốt thép bê tơng sở hợp chất amin 23 1.4.3 ức che ăn mịn cốt thép bê tơng bàng phụ gia khác 25 1.5 Đặt vấn đề nghiên cứu luận án 28 1.6 Tính cấp thiết, tính 29 1.7 Mục tiêu nghiên cứu luận án 29 1.8 Bốn phụ gia nghiên cứu trongluận án 30 V CHƯƠNG 2.1 THỤC NGHIỆM 32 Nguyên vật liệu, hóa chất 32 2.1.1 Thép 32 2.1.2 Xi măng phụ gia bê tông 32 2.1.2.1 Xi măng 32 2.1.2.2 Cát vàng đá 33 2.1.2.3 Nước máy nước biển 33 2.1.3 Phụ gia chống ăn mịn bê tơng 33 2.2 Quy trình cấp phối bê tơng 34 2.3 Tạo mẫu bê tông cốt thép 35 2.4 Phuong pháp nghiên cửu đánh giá q trình ăn mịn 38 2.5 Thiết bị phân tích 39 2.5.1 Thiết bị đo tính 39 2.5.2 Thiết bị đo độ thâm nhập cua ion clorua (C1) 40 2.5.3 Thiết bị xác định hàm lượng clorua tự clorua tông 40 2.5.4 Kính hiển vi điện tử quét (SEM) 41 2.5.5 Thiết bị điện hóa xác định tốc độ ăn mịn cốt thép 42 CHƯƠNG KẾT QUẢ VÀ BÀN LUẬN 46 3.1 Ánh hưỏng cua phụ gia natri silicat, urê, thiourê muội silic đến khả ức chế ăn mịn cốt thép bê tơng điều kiện mơ thí nghiệm 46 3.1.1 Ánh hường cua natri silicat, urê thiourê đến ăn mòn cốt thép dung dịch chiết từ hồn hợp “nước biển - xi măng” 46 3.1.1.1 Anh hướng cúa natri silicat, urê thiourê đến tốc độ ăn mòn thép 46 3.1.1.2 Anh hưởng nồng độ ba chất ức chể đến tham số điện hóa thép 49 3.1.1.3 Cơ chế ức chế ãn mòn thép chất ức chế 54 3.1.2 Khảo sát khã ức chế ăn mịn cốt thép bẽ tơng nước biến bời natri nitrit, canxi nitrat natri silicat 56 3.1.2.1 Ăn mịn cốt thép bê tơng đà phối trộn với NaNƠ2 56 3.1.2.2 Ăn mòn cốt thép bê tông phối trộn với Ca(NO,02 57 3.1.2.3 Ăn mịn cốt thép bê tơng phối trộn với Na2SiCh 58 vi 3.1.2.4 Cơ chế bao vệ cốt thép bê tông nước biển chất ức chế 60 3.1.3 Ánh hường cua nồng độ natri silicat đến sổ tính chất cơ, lý, hóa cốt thép bô tông nước biến 64 3.1.3.1 Anh hưởng nồng độ natri silicat chứa bê tông thời gian ngâm mầu bê tông vào nước biển đến mật độ dòng ăn mòn cốt thép 64 3.1.3.2 Anh hường nồng độ natri silicat đến tham số điện hóa 66 3.1.3.3 Anh hưởng cùa natri silicat đến độ bền lý cốt thép bê tông độ thẩm ion clorua 71 3.1.4 Ảnh hưởng muội silic đến ăn mòn cốt thép bê tông nước biển .75 3.2 Q trình ức chế ăn mịn cốt thép bê tơng sủ’ dụng phụ gia natri silicat, urê, thiourê muội silic điều kiện thục tế nhiệt đói biển 80 3.2.1 Ảnh hưởng natri silicat, urê, thiourê muội silic chứa bê tông đên ăn mòn cốt thép sau tháng thư nghiệm nước biên khí quyên biên nhiệt đới 81 3.2.1.1 Anh hưởng nồng độ natri silicat, urê, thiourê muội silic ngâm mẫu tháng nước biển 81 3.2.1.2 Anh hưởng nồng độ natri silicat, urê thiourê muội silic sau tháng phơi mẫu khí nhiệt đới biển 85 3.2.2 Anh hưởng cúa natri silicat, urê, thiourê muội silic chứa bê tơng đến ăn mịn cốt thép sau 12 tháng thử nghiệm nước biên khí biển nhiệt đới 90 3.2.2.1 Anh hưởng nồng độ natri silicat, urê, thiourê muội silic sau 12 tháng ngâm mẫu nước biổn 90 3.2.2.2 Anh hưởng nồng độ natri silicat, urê, thiourê muội silic sau 12 tháng thừ nghiệm tự nhiên khí 94 3.2.3 So sánh hiệu bao vệ cua natri silicat, urê, thiourê muội silic chứa bê tỏng đến ăn mòn cốt thép Po Vina sau tháng, 12 tháng đến 36 tháng thử nghiệm nước biến nhiệt đới 99 3.2.3.1 Anh hương cua natri silicat, urê, thiourê muội silic ngâm mẫu 36 tháng nước bicn tự nhiên 99 3.2.3.2 Ánh hường nồng độ chất chứa bê tơng đen tham số điện hóa cúa cốt thép 101 3.2.3.3 Ảnh hưởng độ sâu nước biển đen ăn mòn cốt thép 102 3.2.3.4 So sánh hiệu bào hiệu cùa natri silicat, urê, thiourê muội silic ngâm mầu nước biến tự nhiên từ I tháng, 12 tháng đến 36 tháng 102 vii CHƯƠNG KÉT LUẬN VÀ KIÉN NGHỊ 106 4.1 Kết luận 106 4.2 Kiến nghị 107 DANH MỤC CƠNG TRÌNII ĐÃ CÔNG BỐ 109 TÀI LIỆU THAM KHẢO 111 PHỤ LỤC 126 viii mặt khoa học: Luận án có ỷ nghĩa khoa học xây dựng hệ thống số chất phụ gia có khả ức chế ăn mịn cốt thép bê tơng mơi trường giả định phịng thí nghiệm, mơi thường thực tế Kết cùa luận án sở cho nghiên cứu khoa học khả ức chế ăn mịn bê tơng cốt thép chất, nhóm chât loại tương đồng mặt thực tiễn: Luận án góp phần vào việc ứng dụng bảo vệ cốt thép bè tông môi trường biển nhiệt đới khỏi xâm thực cùa nước biên, đặc biệt việc sứ dụng chât phụ gia rẻ tiền muội silic, natri silicat, ure, thioure Sự không trùng lặp đề tài: Nơi dung luận án khơng có trùng lặp với cơng trình, luận văn, luận án cơng bố nước Các tài liệu tham khào trích dẫn đầy đù, rõ ràng trung thực Sụ phù hợp tên đề tài với nội dung, nội dung với chuyên ngành mã số chun ngành: Nơi dung luận án hồn tồn phù hợp với tên đề tài phù họp với ngành đào tao: Cơng nghệ điện hóa bảo vệ kim loại (Mã số chuyên ngành: 62527601) Sự hụp lý độ tin cậy phương pháp nghiên cứu: Nghiên cứu sinh sử dụng phương pháp nhiễu xạ tia X (XRD) để nghiên cứu cấu trúc, phương pháp kính hển vi điện từ quét (SEM) để nghiên cứu hình thái trước sau cốt thép bê tông trước sau thêm chất phụ gia; thiết bị điện hóa để xác định tính chất điện hóa vật liệu trước sau khảo sát khả ức che ăn mòn chất phụ gia; thiết bị đo tính, độ xâm nhập hàm lượng clorua Đây thiết bị phân tích đại, có độ tin cậy cao, đảm bảo tính xác tin cậy đối vói kết q mà Nghiên