Nghiên cứu ảnh hưởng của ô xy và độ ẩm đối với ăn mòn cục bộ của cốt thép trong kết cấu bê tông cốt thép môi trường biển

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠIHỌC HỌCGIAO GIAOTHÔNG THÔNGVẬN VẬNTẢI TẢI TRƯỜNG ĐẠI NGUYỄN VĂN HÙNG TRẦN NGỌC HÀ NGHIÊN CỨU ẢNH HƯỞNG CỦA RỘNG NGHIÊN CỨU ẢNH HƯỞNG CỦA Ô ĐỘ XY MỞ VÀ ĐỘ ẨM VẾTNỨT TỚI KẾT CỐT CẤU THÉP BÊ TÔNG ĐỐI VỚI ĂNTUỔI MỊNTHỌ CỤCCỦA BỘ CỦA THÉP CỐT THÉP MƠI TRONG KẾT CẤUCỐT BÊ TÔNG TRƯỜNG BIỂN LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT HÀ NỘI - 2017 TP.HCM – 07/ 2018 BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO BỘ GIÁO DỤCGIAO VÀ ĐÀO TẠO VẬN TẢI TRƯỜNG ĐẠI HỌC THÔNG TRƯỜNG ĐẠI HỌC GIAO THÔNG VẬN TẢI NGUYỄN VĂN HÙNG TRẦN NGỌC HÀ NGHIÊN CỨU ẢNH HƯỞNG CỦA ĐỘ MỞ RỘNG VẾ NGHIÊN CỨU ẢNH HƯỞNG CỦA Ô XY VÀ ĐỘ ẨM NỨT TỚI TUỔI THỌ CỦA KẾT CẤU BÊ TƠNG CỐT ĐỐI VỚI ĂN MỊN CỤC BỘ CỦA CỐT THÉP THÉP TRONG KẾT CẤU BÊ TÔNG CỐT THÉP MƠI Ngành: KTXD CƠNG TRÌNH DÂN DỤNG VÀ CN TRƯỜNG BIỂN Mã số: 60.58.02.05 Ngành: KTXD CƠNG TRÌNH DÂN DỤNG VÀ CN Chuyên sâu: Mã số: 60.58.02.08 Chuyên sâu: LUẬN VĂN THẠC SỸ KỸ THUẬT LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: TS – TRẦN BẢO VIỆT NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: TS – VŨ VIỆT HƯNG HÀ NỘI - 2017 TP.HCM - 07/ 2018 LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan luận văn cơng trình nghiên cứu riêng tơi hướng dẫn TS Vũ Việt Hưng Các nội dung nghiên cứu, kết luận văn trung thực chưa cơng bố hình thức trước Những số liệu bảng biểu phục vụ cho việc phân tích, nhận xét, đánh giá tác giả thu thập từ nguồn khác có ghi rõ phần tài liệu tham khảo Ngồi ra, luận văn cịn sử dụng số nhận xét, đánh số liệu tác giả khác, quan tổ chức khác có trích dẫn thích nguồn gốc Nếu phát có gian lận tơi xin hoàn toàn chịu trách nhiệm nội dung luận văn Tp.HCM, ngày …… tháng …… năm 2018 Tác giả luận văn Trần Ngọc Hà LỜI CẢM ƠN Luận văn thực hướng dẫn trực tiếp TS Vũ Việt Hưng Tôi xin chân thành cảm ơn thầy hướng dẫn dẫn tận tình đóng góp ý kiến quý báu để giúp thực luận văn Tôi xin cảm ơn quý thầy cô khoa Kỹ Thuật Xây Dựng giúp đỡ tơi nhiều q trình học tập nghiên cứu Tơi xin trân trọng cảm ơn Phịng Đào tạo sau Đại học trường Đại học Giao Thông Vận Tải tạo điều kiện thuận lợi cho q trình học tập nghiên cứu Tơi xin trân trọng cảm ơn Ban Giám Hiệu trường Đại học Giao Thông Vận tải, lãnh đạo khoa Kỹ Thuật Xây Dựng tạo điều kiện để học tập nghiên cứu Cuối bày tỏ cảm ơn đồng nghiệp, gia đình người thân giúp đỡ tơi q trình học tập, nghiên cứu Trân trọng cảm ơn! TP.HCM, ngày …… tháng …… năm 2018 Tác giả luận văn Trần Ngọc Hà MỤC LỤC Chương 1: TỔNG QUAN 1.1 Tổng quan ăn mòn cốt thép kết cấu bê tông cốt thép .1 1.1.1 Tổng quan 1.1.2 Cơ chế xâm nhập ion clorua 1.2 Ảnh hưởng ăn mịn cục cốt thép đến tuổi thọ cơng trình.6 1.3 Kết luận đưa hướng nghiên cứu cụ thể .8 1.3.1 Các nghiên cứu trước ăn mịn 1.3.2 Kết luận đưa hướng nghiên cứu Chương 2: NGHIÊN CỨU LÝ THUYẾT ẢNH HƯỞNG CỦA OXY VÀ ĐỘ ẨM ĐẾN ĂN MÒN CỤC BỘ CỦA CỐT THÉP TRONG KẾT CẤU BÊ TÔNG CỐT THÉP MÔI TRƯỜNG BIỂN 2.1 Cơ chế ăn mòn cục cốt thép ion clorua xâm nhập kết cấu bê tông cốt thép 11 2.1.1 Định nghĩa 11 2.1.2 Cơ chế ăn mòn ion clorua xâm nhập .17 2.2 Các đặc điểm & yếu tố ảnh hưởng đến ăn mịn cục cốt thép .20 2.2.1 Ăn mòn cục 20 2.2.2 Mối quan hệ tốc độ ăn mòn hàm lượng ion clorua.21 2.2.3 Mật độ dòng điện ăn mòn 21 2.2.4 Đặc tính phụ thuộc thời gian 21 2.2.5 Hàm lượng ion clorua đồng không đồng .23 2.3 Cơ sở lý thuyết ảnh hưởng oxy độ ẩm đến ăn mòn cục cốt thép kết cấu bê tông cốt thép ion clorua xâm nhập 2.3.1 Sự hình thành phá hủy lớp màng thụ động cốt thép 23 2.3.2 Cơ chế ăn mịn cốt thép bê tơng .24 2.3.3 Ăn mòn cục ion clorua xâm nhập 26 vi 2.3.4 Ăn mòn cục vật liệu sửa chữa 28 Chương 3: NGHIÊN CỨU THỰC NGHIỆM ẢNH HƯỞNG CỦA OXY VÀ ĐỘ ẨM ĐẾN ĂN MÒN CỤC BỘ CỦA CỐT THÉP TRONG KẾT CẤU BÊ TÔNG CỐT THÉP MÔI TRƯỜNG BIỂN 3.1 Vật liệu chuẩn bị mẫu 32 3.1.1 Các thí nghiệm 32 3.1.2 Ăn mịn cục bê tơng sửa chữa 32 3.1.3 Ảnh hưởng ô xy độ ẩm đến ăn mòn cục 34 3.1.4 Vật liệu .35 3.1.5 Bê tông .36 3.1.6 Nguồn cung cấp clorua 36 3.1.7 Vật liệu sửa chữa 37 3.1.8 Thanh cốt thép 38 3.1.9 Mẫu đúc 39 3.1.10 Dưỡng hộ phủ bề mặt 40 3.1.11 Điều kiện tiếp xúc 41 3.1.12 Đo cường độ dòng ăn mòn cục .41 3.1.13 Các xâm nhập ion clorua vào mẫu .43 3.1.14 Hàm lượng ion clorua đồng không đồng .44 3.2 3.3 Phương pháp thí nghiệm 45 3.2.1 Phương pháp sử dụng cốt thép chia đoạn 45 3.2.2 Các mục đo 46 Phân tích kết thảo luận 48 3.3.1 Kết thí nghiệm mẫu bê tơng thường .48 3.3.2 Kết thí nghiệm mẫu bê tông sửa chữa 62 3.3.3 Nhận xét ảnh hưởng ô xy độ ẩm đến ăn mịn cục 67 3.3.4 Tính tốn tốc độ ăn mịn cục mẫu bê tơng thường .72 vii Chương 4: ĐỀ XUẤT CÁC BIỆN PHÁP HẠN CHẾ 4.1 Trường hợp hàm lượng ion clorua đồng 78 4.1.1 Biện pháp liên quan đến trình thiết kế .78 4.1.2 Biện pháp liên quan đến q trình thi cơng 81 4.2 Trường hợp hàm lượng ion clorua không đồng 84 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ viii DANH MỤC HÌNH ẢNH Hình 1.1: Số lượng hư hại quan sát Nhật .1 Hình 1.2 Nứt ăn mịn cốt thép bê tơng Hình 1.3 Vết nứt dọc theo thép gây bong tróc lớp bê tơng Hình 1.4 Sơ đồ tác động đến độ bền bê tơng Hình 2.1 Các phản ứng cực dương cực âm (Beeby) 15 Hình 2.2 Thể tích tương đối sản phẩm ăn mòn sắt 17 Hình 2.3 Biểu đồ thể hư hại ăn mòn gây nứt, vỡ 17 Hình 2.4 Cơ chế ăn mịn cố thép bê tơng .18 Hình 2.5 Q trình phá hoại ăn mịn cốt thép (nguồn internet) 18 10 Hình 2.6 Cơ chế ăn mịn điện hố thép bê tơng .20 11 Hình 2.7 Đặc điểm dịng ăn mịn 22 12 Hình 2.8 Cơ chế chuyển đổi A-nốt Ca-tốt 23 13 Hình 2.9 Hình ảnh Hiển vi Điện tử (TEM) màng thụ động 24 14 Hình 2.10 Hình ảnh Quang phổ Tán xạ Năng lượng (EDS) màng thụ động vị trí 16 xác định Hình 2.9 24 15 Hình 2.11 Q trình ăn mịn thép 25 16 Hình 2.12 Các dạng ăn mòn cốt thép 26 17 Hình 2.13 Quá trình tự xúc tác (G.K GLASS, 2003) .27 18 Hình 2.14 Vị trí a nốt 29 19 Hình 2.15 Chênh lệch điện bê tông sửa chữa oxy,độ ẩm 30 20 Hình 2.16 Ăn mịn cục ảnh hưởng xy độ ẩm bê tông sửa chữa 30 21 Hình 2.17 Chênh lệch điện bê tơng sửa chữa chênh lệch ion clorua 31 22 Hình 2.18 Ăn mịn cục ảnh hưởng ion clorua 31 23 Hình 3.1 Bố trí cốt thép Loại 1 (a) cốt thép Loại (b) .39 24 Hình 3.2 Bố trí mẫu………………………………………………………… 40 25 Hình 3.3 Mẫu đúc………………………………………………………… …40 ix 26 Hình 3.4 Mẫu sơn epoxy ……………………………………………… ….41 27 Hình 3.5 Đo dòng cục 42 28 Hình 3.6 Mẫu ngâm phần…………………………………………… 43 29 Hình 3.7 Bể chứa ion clo rua lắp mẫu bê tơng thí nghiệm 44 30 Hình 3.8 Mẫu chứa hàm lượng ion clorua 44 31 Hình 3.9 Cốt thép chia đoạn……………………………………………… 45 32 Hình 3.10 Ký hiệu dịng…………………………………………………… 46 33 Hình 3.11 Trường điện (B Elsener, 2001) 47 34 Hình 3.12 Phác thảo phép đo hafl-cell 47 35 Hình 3.13 Mật độ dòng điện ăn mòn cục – ion clorua đồng (1.2 kg/m3) 50 36 Hình 3.14 Mật độ dòng điện ăn mòn - Nồng độ ion clorua đồng (9.6 kg/m3)………………………………………………………………… 52 37 Hình 3.15 Cơ chế ăn mòn cục mẫu N8………………………… 53 38 Hình 3.16 Thay đổi dịng điện ăn mịn vài đoạn thép mẫu N7 54 39 Hình 3.17 Cơ chế ăn mòn cục mẫu N7 54 40 Hình 3.18 Chênh lệch điện điệ nồng độ ion clorua không đồng 55 41 Hình 3.19 Mật độ dịng điện cục - Nhóm mẫu 57 42 Hình 3.20 Ăn mịn cục mẫu N11 58 43 Hình 3.21 Thay đổi mật độ dòng điện cục - mẫu N9 59 44 Hình 3.22 Quá trình ăn mịn cục -N9 60 45 Hình 3.23 Biến đổi mật độ dòng điện ăn mòn cục 61 46 Hình 3.24 Ăn mịn cục mẫu N10 62 47 Hình 3.25 Mật độ dòng điện mẫu N1 & N2- điều kiện ướt 64 48 Hình 3.26 Ăn mịn cục – N2 .65 49 Hình 3.27 Mật độ dịng điện mẫu N3 & N4- điều kiện ướt 66 50 Hình 3.29 Thay đổi lượng oxy độ ẩm– Nhóm mẫu 68 51 Hình 3.28 Mật độ dòng điện mẫu N3 & N12 & N13 – điều kiện ướt .69 x 52 Hình 3.30 Mật độ dòng điện mẫu N4 & N14 & N15 – điều kiện ướt .70 53 Hình 3.31 Thay đổi hàm lượng oxy độ ẩm – Nhóm mẫu 71 54 Hình 3.32 Tuổi thọ sử dụng kết cấu bê tơng cốt thép 73 55 Hình 4.1 Cấu trúc bê tông 78 56 Hình 4.2 Quan hệ cường độ bê tông tỷ lệ N/X 79 57 Hình 4.3 Bố trí cốt thép theo mặt cắt ngang mẫu bê tông 80 58 Hình 4.4 Sự biến thiên dịng ăn mịn cốt thép theo thời gian 80 59 Hình 4.5 Vận chuyển bê tông xe chuyên dụng (nguồn internet) 81 60 Hình 4.6 Hình ảnh đổ bê tơng (nguồn internet) .82 61 Hình 4.7 Hình ảnh đầm cóc 83 62 Hình 4.8 Hình ảnh đầm dùi 83 63 Hình 4.9 Bảo dưỡng bê tông cột .83 64 Hình 4.10 Bảo dưỡng bê tông sàn 83 xi CHƯƠNG CHƯƠNG KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 5.1 Kết luận Trong nghiên cứu làm thí nghiệm bê tơng thường bê tơng sửa chữa bị nhiễm ion clorua có góp mặt ô xy độ ẩm, nhằm mục đích nghiên cứu ảnh hưởng ô xy độ ẩm đến trình ăn mịn cục cốt thép Đối với trường hợp bê tông thường hàm lượng ion clorua xâm nhập vào kết cấu bê tông đồng nhất, sử dụng sơn epoxy để che phủ mặt kết cấu để xem xét ảnh hưởng ô xy độ ẩm Trong trường hợp ảnh hưởng ô xy độ ẩm đáng kể, ô xy độ ẩm xâm nhập vào kết cấu bê tông cốt thép gây chênh lệch điện vùng dọc theo thép, từ gây ăn mịn cục thép Nguyên nhân gây xâm nhập không đồng ô xy độ ẩm vào kết cấu kết câu bê tơng khơng đồng nhất, kích thước lỗ rỗng bê tông không đồng Đối với trường hợp hàm lượng clorua khơng đồng nhất, ăn mịn cục chủ yếu xảy mặt tiếp giáp vùng có hàm lượng clorua khơng đồng Ngun nhân gây ăn mịn trường hợp chênh lệch hàm lượng ion clorua gây chênh lệch điện thế, trường hợp xy độ ẩm đóng vai trị hỗ trợ cho ăn mòn cục xảy mạnh mẽ hơn, khơng có tính định Trong trường hợp tốc độ ăn mòn lớn mặt đáy có hàm lượng clorua nhỏ bị che phủ sơn epoxy nhỏ trường hợp mặt đáy có hàm lượng clorua lớn che phủ epoxy Có thể giải thích ngun nhân chênh lệch điện gây thay đổi hàm lượng ô xy độ ẩm phần che phủ phần không che phủ Trang 85 CHƯƠNG Còn hợp dùng vật liệu sửa chữa để thay cho phần bê tông bị hư hỏng ăn mòn, lúc ăn mòn cục xảy tập trung mặt tiếp giáp vật liệu tập trung phía bê tơng hữu Có thể giải thích ngun nhân sau, khác vật liệu sửa chữa bê tơng hữu, độ đặc chắc, kích thước lỗ rỗng…các yếu tố gây xâm nhập ô xy độ ẩm không đồng phần vật liêu sửa chữa bê tơng hữu Chính xâm nhập không đồng gây chênh lệch điện thúc đẩy ăn mòn cục xảy Mặc khác, không loại bỏ hết hàm lượng ion clorua vật liệu bê tơng cũ, điều làm cho ăn mòn xảy gần mặt tiếp giáp vật liệu mạnh mẽ Nên biện pháp để hạn chế ăn mòn bê tơng sửa chữa loại bỏ hết phần bê tông bị nhiễm clorua tới ngưỡng gây ăn mòn hạn chế ăn mòn cục vị trí 5.2 Nghiên cứu bổ sung Trong thí nghiệm này, nghiên cứu ảnh hưởng ô xy độ ẩm đến ăn mòn cục kết cấu bê tông cốt thép bị nhiễm ion clorua kết cấu bê tơng có cường độ