Mục tiêu nghiên cứu của đề tài là :Mục tiêu của đề tài là nghiên cứu khả năng chống ăn mòn cho cốt thép trong bê tông bằng anốt hy sinh trong điều kiện Việt Nam, làm rõ tác dụng bảo vệ c
Bộ giáo dục đào tạo Tr-ờng đại học bách khoa hµ néi *** LUậN văn thạc Sĩ Khoa học Nghiên cứu khả chống ăn mòn cốt thép bê tông anốt hy sinh điều kiện Việt Nam Ngành : Công nghệ Hoá học Mà số : Vị thÕ Ph-¬ng Ng-êi h-íng dÉn khoa häc: TS HOàNG THị BíCH THUỷ Hà Nội - 2009 Tai ngay!!! Ban co the xoa dong chu nay!!! 17057204918661000000 Nghiªn cứu khả chống ăn mòn cốt thép bê tông anốt hy sinh điều kiện Việt Nam Lời cảm ơn Luận văn đ-ợc thực Trung tâm Nghiên cứu ăn mòn bảo vệ kim loại - Tr-ờng Đại học Bách khoa Hà Nội Trung tâm T- vấn chống ăn mòn Xây dựng - Viện Khoa học Công nghệ Xây dựng Tôi xin đ-ợc bày tỏ lòng biết ơn chân thành sâu sắc tới: TS Hoàng Thị Bích Thủy ng-ời đà tận tình h-ớng dẫn giúp đỡ trình nghiên cứu hoàn thành luận văn Các Trung tâm nơi thực tập công tác đà giúp đỡ suốt trình thí nghiệm góp ý cho để luận văn hoàn thiện Tôi xin đ-ợc bày tỏ biết ơn đến Ban Giám hiệu, Viện Đào tạo sau đại học, Ban Chủ nhiệm khoa Công nghệ hoá học, Bộ môn Công nghệ điện hoá bảo vệ kim loại, Tr-ờng Đại học Bách khoa Hà Nội đà tạo điều kiện cho trình học tập Cuối xin đ-ợc gửi lời cảm ơn tới gia đình, bạn bè, ng-ời đà bên tôi, động viên khuyến khích trình thực luận văn Hà Nội, ngày 10 tháng 11 năm 2009 Học viên Vũ Thế Ph-ơng Luận văn thạc sĩ Vũ Thế Ph-ơng Nghiên cứu khả chống ăn mòn cốt thép bê tông anốt hy sinh điều kiện Việt Nam Lời cam đoan Tên là: Vũ Thế Ph-ơng, học viên lớp cao học chuyên ngành Công nghệ Điện hoá bảo vệ kim loại, khoá 2007-2009 Tôi xin cam đoan luận văn tự viết, số liệu nghiên cứu thu đ-ợc từ thực nghiệm không chép Học viên Vũ Thế Ph-ơng Luận văn thạc sĩ Vũ Thế Ph-ơng Nghiên cứu khả chống ăn mòn cốt thép bê tông anốt hy sinh điều kiện Việt Nam mơc lơc Mơc lơc ……………………………………………………………………… Danh mơc h×nh ………………………………………………………… … Danh mơc b¶ng …………………………………………………………… më đầu ch-ơng I Tổng quan 11 I.1 ăn mòn cốt thép bê tông I.1.1 Hiện t-ợng thụ động cốt thép bê tông I.1.2 Nguyên nhân, chế trình ăn mòn cốt thép bê tông I.1.3 Ăn mòn cốt thép bê tông công trình biển 11 11 13 20 I.2 Các biện pháp bảo vệ cốt thép bê tông khỏi ăn 23 mòn ion clo 24 I.2.1 Biện pháp bảo vệ 24 I.2.2 Biện pháp bảo vệ hỗ trợ 30 I.3 bảo vệ catốt bê tông anốt hy sinh I.3.1 Ph-ơng pháp bảo vệ catốt 30 32 I.3.2 Vật liệu anốt hệ bảo vệ catốt I.3.3 Tình hình nghiên cứu v ứng dụng anốt kẽm dùng chống ăn mòn cho cốt thép 34 37 Ch-ơng II Thực nghiệm ph-ơng pháp nghiên cứu II.1 Chuẩn bÞ thÝ nghiƯm …………………………………………… … II.1.1 Cèt thÐp ………………………………………………………………… II.1.2 Xi măng II.1.3 Cát II.1.4 Đá II.1.5 Anèt hy sinh …………………………………………………………… 37 II.2 Dung dịch điều kiện thí nghiệm 37 37 37 37 37 38 II Các thông số cần đo ph-ơng pháp đo II.3.1 Ph-ơng pháp đo điện nửa pin haft-cell II.3.2 Ph-ơng pháp đo ®iƯn trë ph©n cùc ……………………………………… 38 38 40 II.4 ThÝ nghiệm nghiên cứu hiệu bảo vệ cốt thép anốt hy sinh môi tr-ờng thử nghiệm khắc nghiệt 41 41 II.4.1 Quy tr×nh thÝ nghiƯm …………………………………………………… Ln văn thạc sĩ Vũ Thế Ph-ơng Nghiên cứu khả chống ăn mòn cốt thép bê tông anèt hy sinh ®iỊu kiƯn ViƯt Nam II.4.2 TiÕn hành đo 43 II.5 Thí nghiệm đánh giá ảnh h-ởng ANHS trình ăn mòn cốt thép vùng lân cận sau sửa chữa II.5.1 Quy trình thí nghiệm II.5.2 Tiến hành đo 43 43 46 Ch-ơng III Nghiên cứu tác dụng bảo vệ Anốt hy sinh trình ăn mòn cốt thép bê 47 tông theo thêi gian ………………………………………………… III.1 §iƯn thÕ cèt thÐp ……………………………………………… III.1.1 Tr-ờng hợp bê tông (không có ion Cl- bê tông) III.1.2 Tr-ờng hợp bê tông (không có ion Cl - bê tông) đ-ợc gắn anốt hy sinh . 47 47 48 - III.1.3 Tr-êng hỵp BT cã nhiƠm ion Cl (2% NaCl theo khối l-ợng xi măng có BT) 49 III.1.4 Tr-ờng hợp bê tông (có ion Cl bê tông) đ-ợc gắn anốt hy sinh 50 52 III.2 Tốc độ ăn mòn ph-ơng pháp đo ®iƯn trë ph©n cùc III.3 NhËn xÐt …………………………………………………………… 53 Ch-ơng iV nghiên cứu ảnh h-ởng anốt hy sinh trình ăn mòn cốt thép vùng lân cận 54 sửa chữa bê tông IV.1 Khảo sát điện ăn mòn cốt thép . IV.1.1 Tr-ờng hợp thép bị gỉ (không có ion Cl- bê tông) IV.1.2 Tr-ờng hợp thép bị gỉ có ion Cl- bê tông IV.1.3 Tr-ờng hợp mẫu sửa chữa IV.1.4 Tr-ờng hợp mẫu sửa chữa đ-ợc bảo vệ anốt hy sinh IV.2 Khảo sát tốc độ ăn mòn IV.2.1 Khảo sát tốc độ ăn mòn thép IV.2.2 Khảo sát tốc độ ăn mòn cắt mẫu 54 54 55 56 58 59 59 60 IV NhËn xÐt KÕt ln ………………………………………………………………… 66 67 Tµi liƯu tham kh¶o ………………………………………………… 68 phơ lơc ………………………………… ……………………………… 72 I Luận văn thạc sĩ Vũ Thế Ph-ơng Nghiên cứu khả chống ăn mòn cốt thép bê tông anốt hy sinh điều kiện Việt Nam Danh mục hình Hình I.1 - Lớp màng thụ động cốt thép bê tông bị phá vỡ 16 Hình I.2 - Cơ chế ăn mòn điện hoá thép bê tông có mặt ion Cl- 19 Hình I.3 - Giản đồ E - pH cốt thép bê tông theo Pedeferi . 31 Hình II.1 - Cấu tạo anốt hy sinh để bảo vệ cốt thép bê tông 37 Hình II.2 - Sơ đồ đo điện cốt thép bê tông 39 Hình II.3 - Mô hình thí nghiệm đánh giá hiệu bảo vệ cốt thép anốt hy sinh môi tr-ờng thử nghiệm khắc nghiệt 42 Hình II.4 - Mô hình thí nghiệm đánh giá ảnh h-ởng anốt hy sinh trình ăn mòn cốt thép vùng lân cận sau sửa chữa 44 Hình III.1 - Sự thay đổi điện ăn mòn cốt thép theo thời gian cđa mÉu S1 … 48 H×nh III.2 - Sù thay ®ỉi ®iƯn thÕ cèt thÐp theo thêi gian cđa mÉu S1-A 49 Hình III.3 - Sự thay đổi điện ăn mòn cốt thép theo thời gian mẫu S2 50 Hình III.4 - Sự thay đổi điện thÕ cèt thÐp theo thêi gian cña mÉu S2-A ……… 51 Hình III.5 - Sự thay đổi tốc độ ăn mòn cốt thép theo thời gian 52 Hình IV.1 - Sự thay đổi điện ăn mòn cốt thép theo thêi gian cđa mÉu L1 55 H×nh IV.2 - Sự thay đổi điện ăn mòn cốt thép theo thêi gian cđa mÉu L2 56 H×nh IV.3 - Sự thay đổi điện ăn mòn cốt thép theo thêi gian cđa mÉu L3 57 H×nh IV.4 - Sự chênh lệch điện vị trí theo thêi gian cđa mÉu L3 57 H×nh IV.5 - Sù thay ®ỉi ®iƯn thÕ cèt thÐp theo thêi gian cđa mÉu L3-A ……… 58 H×nh IV.6 - Sù chênh lệch điện vị trí theo thời gian cđa mÉu L3-A 58 H×nh IV.7 - Sù thay đổi tốc độ ăn mòn cốt thép theo thời gian 60 Hình IV.8 - Sự thay đổi tốc độ ăn mòn cốt thép theo đoạn 61 Hình IV.9 - Bặt cốt thép mẫu L3 vị trí khác 63 Hình IV.10 - Bặt cốt thép mẫu L3-A vị trí khác 65 Luận văn thạc sĩ Vũ Thế Ph-ơng Nghiên cứu khả chống ăn mòn cốt thép bê tông anốt hy sinh điều kiện Việt Nam Danh mục bảng Bảng I.1 - Niên hạn xảy h- hỏng kết cấu BTCT th-ờng gặp m«i 21 tr-êng biĨn ViƯt Nam ……………………………… ……………………… Bảng I.2 - Tình trạng ăn mòn kết cấu BTCT vùng biển số n-ớc Đông Nam 23 Nhật Bản Bảng II.1 - Đánh giá kết khả cốt thép bị ăn mòn bê tông 40 Bảng II.2 - Thành phần cấp phối bê tông dùng nghiên cứu hiệu 43 Bảng II.3 - Thành phần cấp phối bê tông dùng nghiên cứu sửa chữa 45 Luận văn thạc sĩ Vũ Thế Ph-ơng Nghiên cứu khả chống ăn mòn cốt thép bê tông anốt hy sinh điều kiện Việt Nam Mở đầu ăn mòn kim loại trình tự phá huỷ kim loại d-ới tác động môi tr-ờng xung quanh dẫn đến thay đổi tính chất hoá lý chúng Sự ăn mòn hậu ăn mòn gây lớn Toàn giới -ớc tính có đến 10% l-ợng thép bị gỉ hàng năm n-ớc công nghiệp phát triển, chi phí ăn mòn kim loại chiếm khoảng - 4% tỉng s¶n phÈm qc gia (GNP) [3] ë ViƯt Nam, ch-a có số liệu thống kê xác, nh-ng điều kiện khí hậu đặc thù n-ớc ta nóng ẩm, tổn thất ăn mòn chắn không nhỏ Nếu tạm tính 3,5% GDP, hàng năm thiệt hại ăn mòn 700 triệu USD Sự ăn mòn cốt thép bê tông dẫn đến phá huỷ kết cấu nghiêm trọng Ví dụ điển hình nh-, năm 1967, cầu nối Point Pleasant, phía Tây Virginia với Kanauga, Ohio bị sập bëi rÊt nhiÒu bé phËn kÕt cÊu xuèng cÊp ăn mòn Tháng năm 2000, cố sập cầu Bắc Carolina làm th-ơng 100 ng-ời Cây cầu Dickson Montreal năm 1990 bị ngừng hoạt động ăn mòn làm xuống cấp Ngày 28/8/2003 cầu bê tông qua sông Daman Ganga, miền tây ấn Độ bị sập, làm 25 ng-ời thiệt mạng, nguyên nhân cầu cũ nát (trong cốt thép bị ăn mòn) [21] Gần vào ngày 01/8/2007, thảm hoạ đà xảy bang Minnesota cầu trọng yếu bắc qua s«ng Missisippi cđa n-íc Mü bÊt ngê sËp vào cao điểm buổi tối, nhấn chìm nhiều xe ôtô, làm 13 ng-ời thiệt mạng nhiều ng-ời bị th-ơng mà nguyên nhân gây sập cầu bị ăn mòn Việt Nam ch-a có tr-ờng hợp xảy nghiêm trọng ng-ời nh-ng đà gây thiệt hại lớn kinh tế Tiêu biểu phải kể đến công trình bệnh viện K67 Quảng Ninh đ-ợc xây dựng vào năm 1990 đ-a vào sử dụng năm 1993, tổng diện tích sàn toàn bé khu nhµ lµ 5000m nh-ng chØ sau 10 năm sử dụng công trình đà phải dỡ bỏ hoàn toàn không an toàn trình sử dụng sập lúc Nguyên nhân sử dụng cát nhiễm mặn để đúc bê tông dẫn đến kết cấu bê tông cốt thép [BTCT] bị ăn mòn nhanh chóng [2] Luận văn thạc sĩ Vũ Thế Ph-ơng Nghiên cứu khả chống ăn mòn cốt thép bê tông anốt hy sinh điều kiện Việt Nam Bê tông cốt thép vật liệu xây dựng đ-ợc sư dơng rÊt phỉ biÕn hiƯn ViƯc tiªu thơ bê tông toàn giới đứng hàng thứ hai sau việc tiêu thụ n-ớc với 1tấn/ng-ời/năm [22] Theo thời gian xuống cấp công trình BTCT, công trình làm việc môi tr-ờng có hàm l-ợng ion Cl - cao (môi tr-ờng biển, công nghiệp hoá chất có chứa Cl -) tiềm ẩn khả xâm thực mạnh kết cấu BTCT dẫn đến h- hỏng công trình Tính cấp thiết đề tài: Cùng với phát triển kinh tế - xà hội, số l-ợng công trình xây dựng khơi dọc theo bờ biển n-ớc ta tăng nhanh, công trình có sử dụng kết cấu BTCT ngày phát triển N-ớc ta có bờ biển kéo dài 3200 km kết hợp với điều kiện đặc thù Việt Nam môi tr-ờng khí hậu nóng ẩm với nhiệt độ trung bình cao, độ ẩm lớn, thời gian ẩm -ớt kéo dài tác nhân đẩy nhanh tốc độ ăn mòn cốt thép bê tông Các biện pháp bảo vệ chống ăn mòn cốt thép bê tông bao gồm: nâng cao chất l-ợng bê tông; tăng chiều dày lớp bê tông bảo vệ cốt thép; ph-ơng pháp sơn phủ (phủ bề mặt bê tông, sơn phủ cốt thép); sử dụng thép hợp kim, thép không gỉ; sử dụng chất ức chế ăn mòn; ph-ơng pháp bảo vệ catốt Mỗi ph-ơng pháp bảo vệ chống ăn mòn có -u điểm, nh-ợc điểm nên tuỳ theo điều kiện tính chất công trình mà lựa chọn ph-ơng pháp bảo vệ thích hợp Ph-ơng pháp sử dụng anốt hy sinh hệ bảo vệ catốt đ-ợc áp dụng Mỹ vào năm 1970 để bảo vệ mặt cầu chống lại ăn mòn cốt thép ng-ời ta rải muối để làm tan băng Bắt đầu từ năm 1980, ph-ơng pháp bảo vệ đ-ợc áp dụng cho công trình xây dựng nh-: nhà, công trình biển, đ-ờng hầm, mặt cầu công trình ngầm n-ớc công nghiệp phát triển nh- Mỹ, Châu Âu Tổng kết giới cho thấy đến năm 2000, ph-ơng pháp bảo vệ catốt đà đ-ợc áp dụng để chống ăn mòn cho 2.000.000 m diện tích bề mặt công trình BTCT [27] Anốt hy sinh sở hợp kim kẽm đ-ợc sử dụng nhiều để bảo vệ cho kết cấu thép Đối với công trình BTCT kẽm đ-ợc Luận văn thạc sĩ Vũ Thế Ph-ơng Nghiên cứu khả chống ăn mòn cốt thép bê tông anốt hy sinh điều kiện Việt Nam dùng làm anốt hệ bảo vệ catốt d-ới dạng phun trực tiếp lên bề mặt bê tông để bảo vệ cho cốt thép, dùng dạng l-ới, dạng hay dạng khối đặt bê tông Việt Nam, số đơn vị đà bắt đầu sâu nghiên cứu công nghệ chống ăn mòn cho cốt thép bê tông ph-ơng pháp bảo vệ catốt, tiêu biểu phải kể đến Trung tâm nghiên cứu ăn mòn bảo vệ kim loại - Tr-ờng Đại học Bách khoa Hà Nội Mặc dù ph-ơng pháp bảo vệ catốt ph-ơng pháp hữu hiệu, có hiệu bảo vệ tốt với công trình đà bị nhiễm ion Cl -, song để triển khai áp dụng Việt Nam cần nghiên cứu với điều kiện môi tr-ờng thi công Việt Nam Xuất phát từ lý tác giả đà lựa chọn chủ đề nghiên cứu đề tài là: Nghiên cứu khả chống ăn mòn cốt thép bê tông anốt hy sinh điều kiện Việt Nam Mục tiêu nghiên cứu đề tài là: Mục tiêu đề tài nghiên cứu khả chống ăn mòn cho cốt thép bê tông anốt hy sinh điều kiện Việt Nam, làm rõ tác dụng bảo vệ cốt thép tr-ờng hợp công trình thi công thi công sửa chữa chống ăn mòn công trình cũ Để đạt đ-ợc mục tiêu đặt ra, đề tài cần giải nhiệm vụ sau đây: - Nghiên cứu tác dụng bảo vệ anốt hy sinh trình ăn mòn cốt thép bê tông theo thời gian d-ới tác động xâm thực mạnh môi tr-ờng thử nghiệm khắc nghiệt; - Nghiên cứu ảnh h-ởng anốt hy sinh trình ăn mòn cốt thép vùng lân cận sửa chữa bê tông; ý nghĩa khoa học thực tiễn đề tài: Kết nghiên cứu đề tài đáp ứng nhu cầu cấp thiết giải pháp chống ăn mòn hiệu cho công trình BTCT môi tr-ờng biển Việt Nam Giải pháp đ-ợc ứng dụng hiệu tr-ờng hợp sau: - Đảm bảo tuổi thọ công trình tr-ờng hợp không đảm bảo đ-ợc biện pháp bảo vệ (mác bê tông chiều dày lớp bê tông bảo vệ cốt thép Luận văn thạc sĩ Vũ Thế Ph-¬ng